Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu kỹ thuật đồng bộ và bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ ĐÌNH HƢNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ BÙ DỊCH TẦN

DOPPLER CHO TRUYỀN THÔNG DƢỚI NƢỚC

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM

Ngành : Kỹ thuật viễn thông

Mã số : 9520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN QUỐC KHƢƠNG

2. PGS.TS. HÀ DUYÊN TRUNG

Hà Nội - 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học đƣợc trình bày trong luận án này là kết

quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chƣa xuất

hiện trong các công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt đƣợc là chính xác, trung

thực và không trùng lặp với các kết quả đƣợc công bố trƣớc đó.

Tập thể hƣớng dẫn Tác giả luận án

TS. Nguyễn Quốc Khƣơng PGS.TS. Hà Duyên Trung Đỗ Đình Hƣng

LỜI CẢM ƠN

Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Quốc Khƣơng và PGS.TS. Hà Duyên Trung là Thầy giáo đã trực tiếp hƣớng dẫn khoa học và hỗ trợ tôi về

mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án Tiến sĩ này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến

Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Đức đã giúp đỡ tận tình trong quá trình đăng các

nghiên cứu khoa học.

Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh-Hiệu trƣởng Trƣờng

Điện-Điện tử, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi tôi đƣợc học tập và nghiên cứu

trong suốt quá trình. Tôi xin cảm ơn Phòng Đào tạo Đại học, các Thầy cô đã giúp đỡ tôi

rất nhiều trong quá trình làm Nghiên cứu sinh.

Cuối cùng, tôi xin dành những lời cám ơn trân trọng đến gia đình tôi. Sự động viên,

giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tôi vƣợt qua mọi

khó khăn để hoàn thành luận án này.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 7 tháng 11 năm 2022

Tác giả luận án

Đỗ Đình Hƣng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................I

LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... ii

DANH MỤC HÌNH VẼ………………………………………………………………………....vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ viii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................... ix

CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC DÙNG TRONG LUẬN ÁN…………………………...xi

LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ......................................................................................................... 1

2. NHỮNG VẤN ĐỀ CÕN TỒN TẠI ....................................................................................... 2

3. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN ............................................................................................... 3

4. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU .............................................................................................. 4

5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................................... 5

6. NHỮNG GIỚI HẠN TRONG CÁC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ........................................... 5

7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ............................................. 5

8. CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ............................................................................... 6

9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN ................................................................................................... 7

CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ................ 9

1.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG……………………………………………………………. ... 9

1.2. ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ............................................. 9

1.3. HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC .............................................................. 9

1.3.1. Các thông số chủ yếu của môi trƣờng thủy âm…………………………........ 9

1.3.2. Tính đa đƣờng trong lan truyền sóng âm ......................................................... 10

1.3.3. Suy hao trong môi trƣờng nƣớc ........................................................................ 10

1.3.4. Nhiễu môi trƣờng ............................................................................................. 10

1.3.5. Hiệu ứng Doppler ............................................................................................. 10

1.3.6. Nhận xét ............................................................................................................ 12

DƢỚI NƢỚC ..................................................................................................................... 12

1.4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MÔI TRƢỜNG

1.4.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDM .............................................................................. 12

1.4.2. Tính trực giao ................................................................................................... 13

1.4.3. Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang ...................................... 15

1.4.4. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM .................................................................... 18

iii

1.5. SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KHÁC TƢƠNG ĐƢƠNG KỸ THUẬT OFDM ......... 22

1.5.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 22

1.5.2. Mô hình so sánh OFDMA và SC-FDMA…………………………………. 22

1.5.3. Kết quả mô phỏng…………………………………………………………. 25

1.5.4. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 27

1.5.5. Nhận xét ............................................................................................................ 27

1.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG .................................................................................................. 28

CHƢƠNG 2 ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG

TIN DƢỚI NƢỚC ............................................................................................................ 29

2.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG ................................................................................................ 29

2.2. ĐỒNG BỘ THỜI GIAN ................................................................................................ 29

2.2.1. Khái niệm ........................................................................................................ 29

2.2.2. Một số phƣơng pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay .............................. 30

2.2.3. Nhận xét chung ................................................................................................. 33

2.3. THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN SỬ DỤNG KHOẢNG BẢO VỆ GI ............................ 33

2.3.1. Mô tả hệ thống .................................................................................................. 34

2.3.2. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 39

2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG .................................................................................................. 43

CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLE CHO HỆ THỐNG

OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC ............................................................ 44

3.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƢỢNG DOPPLER…………………………………………...44

3.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG .......................................................................................... 44

3.2.1. Mô hình tín hiệu ............................................................................................... 44

3.2.2. Đồng bộ thô tần số ............................................................................................ 45

3.2.3. Kiểm soát bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đƣờng liên tục kết hợp

giám sát công suất trễ ................................................................................................. 46

3.2.4. Bù dịch tần Doppler ......................................................................................... 48

3.3. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER DỰA TRÊN CHUỖI TÍN HIỆU HÌNH SIN ........ 49

3.3.1. Mô tả hệ thống ................................................................................................. 50

3.3.2. Kết quả thực nghiệm ....................................................................................... 56

3.3.3. Giao diện hệ thống.......................................................................................... 57

3.3.4. Kết quả thu đƣợc .............................................................................................. 59

3.3.5. Nhận xét ............................................................................................................ 60

3.4. PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER SỬ DỤNG TÍN HIỆU SÓNG MANG DẪN ĐƢỜNG

(CARRIER FREQUENCY PILOT- CFP) .............................................................................. 60

3.4.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 60

3.4.2. Mô tả hệ thống .................................................................................................. 61

3.4.3. Mô tả chi tiết phƣơng pháp thực hiện ............................................................... 66

3.5. PHƢƠNG PHÁP GIẢI MÃ TRỰC TIẾP (DIRECT DECODE) ............................................. 68

3.5.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 68

3.5.2. Hệ thống thủy âm giải mã trực tiếp .................................................................. 69

3.5.3. Giải thích nguyên lý ......................................................................................... 70

3.5.4. Mô tả chi tiết phƣơng pháp thực hiện ............................................................... 71

3.5.5. Thực nghiệm và kết quả ................................................................................... 73

3.5.6. Nhận xét ............................................................................................................ 76

3.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG .................................................................................................. 76

CHƢƠNG 4 TRUYỀN THÔNG DƢỚI NƢỚC SỬ DỤNG MÔ HÌNH SISO (

ANTEN PHÁT-1 ANTEN THU) KẾT HỢP ĐẶC TÍNH PHÂN TẬP KHÔNG

GIAN-THỜI GIAN CỦA HỆ THỐNG MIMO ............................................................ 78

4.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG ................................................................................................ 78

4.2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG ................................................................................................. 78

4.3. CAC KỸ THUẬT PHAN TẬP ........................................................................................ 79

4.3.1. Phân tập thời gian ............................................................................................. 79

4.3.2. Phân tập tần số ................................................................................................. 80

4.3.3. Phân tập không gian ........................................................................................ 81

4.4. DUNG LƢỢNG HỆ THỐNG MIMO ............................................................................. 82

DƢỚI NƢỚC CHỈ SỬ DỤNG MỘT CẶP ANTEN THU PHÁT (SISO) ........................................ 83

4.5. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN CHO TRUYỀN THÔNG

4.5.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 83

4.5.2. Giải mã N tín hiệu phân tập không gian thời gian ........................................... 84

4.5.3. Thực nghiệm, mô phỏng hệ thống và kết quả .................................................. 88

4.5.4. Nhận xét ............................................................................................................ 93

4.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG ................................................................................................. 93

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................. 94

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO CỦA LUẬN ÁN .................................................................. 97

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM .................................................................................. 13

Hình 1.2. a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b. Tác động của nhiễu đến hệ

thống đa sóng mang ...................................................................................................................... 13

Hình 1.3. Phổ của các sóng mang trực giao .................................................................................. 15

Hình 1.4. Phổ của bốn sóng mang trực giao ................................................................................. 16

Hình 1.5. Phổ của bốn sóng mang không trực giao ...................................................................... 16

Hình 1.6. Ảnh hƣởng của ISI ........................................................................................................ 17

Hình 1.7. Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống ............................................................................ 17

Hình 1.8. Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix ................................................................................ 18

Hình 1.9. Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang ................................................................. 20

Hình 1.10. Sơ đồ so sánh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA [5] ....................... 23

Hình 1.11. Mô hình chèn pilot ...................................................................................................... 25

Hình 1.12. Kết quả mô phỏng và lý thuyết trong trƣờng hợp điều chế BPSK, NFFT=2048,

GI=1024, với kênh Rayleigh nTap=10 ......................................................................................... 26

Hình1.13. Dạng tín hiệu OFDM và SC-FDMA bị cắt đỉnh khi vƣợt ngƣỡng ............................. 26

Hình 1.14. So sánh kết quả mô phỏng .......................................................................................... 26

Hình 1.15. a. Chòm sao OFDMA thu đƣợc SER=0.048 ............................................................ 27

Hình 2.1. Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM………………………………………………………….30

Hình 2.2. Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phƣơng pháp Schmidl .................................... 30

Hình 2.3. Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phƣơng pháp Minn ........................................ 31

Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống OFDM ................................................................................................ 35

Hình 2.5. Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM ................................................... 36

Hình 2.6. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI ........................................................... 38

Hình 2.7. Hệ thống OFDM thực nghiệm ...................................................................................... 40

Hình 2.8. Tín hiệu OFDM thu đƣợc trên hệ thống tại Hồ Tiền .................................................... 40

Hình 2.9. Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu đƣợc ........................... 41

Hình 2.10. So sánh độ ổn định tín hiệu giữa 2 đỉnh đồng bộ gần nhất ......................................... 41

Hình 2.11. So sánh SNR giữa hai phƣơng pháp .......................................................................... 42

Hình 2.12. Chòm sao tín hiệu thu đƣợc sau giải mã của 2 phƣơng pháp .................................... 42

Hình 3.1. Cấu trúc khung dữ liệu .................................................................................................. 46

Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đƣờng liên tục .......................................................................................... 47

Hình 3.3. Hiện tƣợng dịch chuyển phổ công suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian ..................... 48

Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống thu – phát ............................................................................................. 51

Hình 3.5. Kỹ thuật sắp xếp dữ liệu lên các sóng mang con cho hệ thống OFDM ....................... 52

Hình 3.6. Khung tín hiệu phát ....................................................................................................... 53

Hình 3.7. (a). Chòm sao tín hiệu thu (b).Chòm sao xoay lại bằng thuật toán xoay pha ............ 55

Hình 3.8. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống trên Hồ Tiền .................................................................... 56

Hình 3.9. Tín hiệu OFDM có gắn chuỗi hình sin ......................................................................... 57

Hình 3. 10. Giao diện bên phát ..................................................................................................... 58

Hình 3.11. Giao diện bên thu ........................................................................................................ 59

Hình 3.12. Chòm sao tín hiệu thu sau khi xoay pha ..................................................................... 59

Hình 3.13. Hệ thống truyền dữ liệu số trên kênh truyền thủy âm bao gồm sơ đồ khối máy phát và

máy thu. ......................................................................................................................................... 62

Hình 3.14. Phổ công suất trung bình tín hiệu ............................................................................... 65

Hình 3.15. Mô hình hệ thống giải mã trực tiếp ............................................................................. 69

Hình 3.16. Mô hình thực nghiệm .................................................................................................. 73

Hình 3.17. a. Tín hiệu OFDM thu đƣợc trong miền thời gian b. Phổ của tín hiệu với sóng mang

CFP ở trung tâm ............................................................................................................................ 73

Hình 3.18. Biến thiên của độ dịch tần Doppler theo vận tốc dịch chuyển tƣơng đối giữa bên phát

và bên thu ...................................................................................................................................... 73

Hình 3.19. So sánh SER của phƣơng pháp giải mã trực tiếp và giải mã 2 bƣớc .......................... 76

Hình 4.1. Mô hình hệ thống MIMO .............................................................................................. 78

Hình 4.2. Từ mã đƣợc phát có xen và không xen ........................................................................ 80

Hình 4.3. Các loại phân tập không gian ...................................................................................... 81

Hình 4.4. Mỗi khung tín hiệu đƣợc phát lặp N lần ...................................................................... 84

Hình 4.5: Hệ thống 1 anten phát nhiều anten thu (SIMO) ........................................................... 84

Hình 4.6. Lƣu đồ thuật toán giải mã N khung tín hiệu ................................................................. 86

Hình 4.7. Độ hội tụ các điểm tín hiệu của chòm sao M-QAM ..................................................... 87

Hình 4.8. Kết hợp các khung giải mã MRC theo thứ tự SNR giảm dần ....................................... 88

Hình 4.9. So sánh các trƣờng hợp ................................................................................................. 88

Hình 4.10. Mô hình thực nghiệm tại Hồ Tiền ............................................................................... 89

Hình 4.11: Hệ thống OFDM thử nghiệm ...................................................................................... 90

Hình 4.12. Tín hiệu N=10 khung .................................................................................................. 92

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. Các thông số của hệ thống truyền tin dƣới nƣớc ............................................................... 9

Bảng 2. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng thuật toán đồng bộ thời gian ..................... 39

Bảng 3. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng chuỗi hình sin ........................................... 56

Bảng 4. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng CFP ........................................................... 74

Bảng 5. SNR của các khung truyền dữ liệu .... …………………………………………………..88

Bảng 6. Các tham số của hệ thống OFDM-SISO ......................................................................... 91

Bảng 7. SER của mỗi khung và khi kết hợp các khung ................................................................ 92

viii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ

Tiếng Anh

Tiếng Việt

viết tắt

Fourth-Generation wireless

Thế hệ mạng di dộng thứ 4

4G

communication system

Amplitude Shift Keying

Điều chế số theo biên độ tín hiệu

ASK

Analog to Digital Converter

Mạch chuyển đổi tƣơng tự - số

ADC

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BER

Carrier Frequency Offset

Độ lệch tần số sóng mang

CFO

Carrier Frequency Pilot

Tần số sóng mang pilot

CFP

Cyclic Prefix

Tiền tố vòng

CP

Digital to Analog Converter

Mạch chuyển đổi số- tƣơng tự

DAC

Discrete Fourier transform

Phép biến đổi Fourier

DFT

Digital Video Broadcasting for

Hệ thống truyền hình số mặt đất

DVB-T

Terrestrial Transmission Mode

Frequency Division Mutilplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số

FDM

Frequency Shift Keying

Điều chế khóa dịch tần

FSK

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

FFT

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GI

Intercarrier Interference

Nhiễu liên kênh

ICI

Intersymbol Interference

Nhiễu liên ký tự

ISI

Inverse Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier ngƣợc

IDFT

Inverse Fast Fourier Transform

Phép biến đổi nhanh Fourier ngƣợc

IFFT

Multiple Input Multiple Output

Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra

MIMO

Maximal Ratio Combiners

Kỹ thuật phân tập thu với bộ kết hợp tỷ

MRC

lệ tối đa

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

M-QAM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

OFDM

Multiplexing

giao

Parallel to Serial

Bộ chuyển đổi từ song song sang nối

P/S

tiếp

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất

PAPR

trung bình

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PDF

Power Delay Profile

Hàm phân bố công suất trễ

PDP

Pilot Signal Assisted Modulation

Điều chế tín hiệu dẫn đƣờng

PSAM

Phase Shift Keying

Điều chế số khóa dịch pha

PSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế khóa pha cầu phƣơng

QPSK

Serial to Parallel

Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song

S/P

Symbol Error Rate

Tỉ số ký hiệu trên lỗi

SER

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SNR

UnderWater Acoustic

Kênh thủy âm

UWA

CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Ký hiệu Ý nghĩa S*(t) Liên hợp phức của S(t)

τmax Khoảng trễ lớn nhất

Độ dài biến đổi Fourier

M(n) Trung bình giá trị tƣơng quan trên độ dài một khoảng CP

Tổ hợp chập N của i phần tử

Độ lợi đƣờng truyền

Độ trễ

Tín hiệu thông dải

Tín hiệu băng tần cơ sở

H(m, n) Hàm truyền đạt ƣớc lƣợng của kênh cho sóng mang phụ thứ m và cho

Ma trận khử nhiễu liên kênh

ký tự thứ n

TGI Chiều dài khoảng bảo vệ

Độ dịch tần gây bởi hiện tƣợng Doppler

Hàm truyền đạt ứng với ký tự thứ n

Tín hiệu ở sóng mang khụ thứ k

I(k, l) Nhiễu liên sóng mang từ sóng mang phụ thứ l tới sóng mang phụ thứ k

Ma trận nghịch đảo của H

Ma trận chuyển vị và liên hợp phức của H

Tần số sóng mang phía thu

Số lần cắt không của tín hiệu

Độ lệch tần số lấy mẫu

Tần số lấy mẫu

Tần số tái lấy mẫu

P(i) Sai lệch giữa hai mẫu tín hiệu trong 2 cửa sổ

R(i) Tập giá trị tƣơng quan của liên hợp phức giữa 2 cửa sổ tín hiệu Mức biên độ của CFP

Tần số của CFP

Khoảng cách giữa hai sóng mang

mean dùng để tính giá trị trung bình

angle dùng để tính góc của một giá trị là số phức

xii

Hàm để xây dựng ma trận khử nhiễu

LỜI MỞ ĐẦU

1. Giới thiệu đề tài

Trong một vài năm trở lại đây, thông tin dƣới nƣớc đang đƣợc sử dụng rất rộng rãi

trong các lĩnh vực nhƣ: thám hiểm đại dƣơng, quan trắc địa hình dƣới biển, vận hành và

truyền thông tin giữa các tầu ngầm và đặc biệt có vai trò quan trọng trông lĩnh vực quân

sự, an ninh quốc phòng. Cụ thể, Việt Nam có hàng nghìn km bờ biển với vùng hải phận

biển Đông vô cùng rộng lớn. Do vậy, thông tin dƣới nƣớc đang trở thành một trong

những lĩnh vực đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay [9,10].

Trong môi trƣờng dƣới nƣớc, do đặc tính môi trƣờng bị hấp thụ và suy hao với tốc độ

nhanh [12,13,14] nên tín hiệu sử dụng sóng điện từ sẽ bị giới hạn về tốc độ cũng nhƣ

khoảng cách truyền dẫn. So với tín hiệu sóng điện từ, tín hiệu sóng âm có những ƣu điểm

vƣợt trội vì âm thanh ít bị suy hao trong môi trƣờng nƣớc. Vì vậy, việc sử dụng sóng âm

để truyền thông tin dƣới nƣớc là một phƣơng pháp ƣu tiên hàng đầu kết hợp với các công

nghệ tiên tiến sẽ đạt hiệu quả cao [15,16].

Tuy nhiên trong môi trƣờng dƣới nƣớc, sóng âm bị ảnh hƣởng của sự biến đổi nhiệt

độ, các loại nhiễu và truyền dẫn đa đƣờng do sự phản xạ và tán xạ [12-16], tốc độ truyền

dẫn của sóng âm dƣới nƣớc cũng rất hạn chế (khoảng 1.5km/s) nhỏ hơn rất nhiều so với

sóng điện từ là 300.000km/s nên gây ra trễ truyền dẫn và ảnh hƣởng của dịch tần Doppler

đến tín hiệu thu cũng lớn hơn khi so sánh với việc truyền sóng vô tuyến [9,10,11]. Những

đặc tính đó đã làm cho kênh truyền dƣới nƣớc khác hẳn so với kênh truyền sử dụng sóng

điện từ.

Có nhiều kỹ thuật truyền thông đƣợc sử dụng để truyền thông tin dƣới nƣớc nhƣ

ASK, FSK, M_PAM, M_QAM, OFDM, SC-FDMA [1,7]. Trong số các kỹ thuật này thì

kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) có ƣu điểm là hiệu quả sử

dụng phổ cao nên phù hợp với băng thông hạn hẹp của kênh truyền dƣới nƣớc, ngoài ra

OFDM có khả năng chống giao thoa đa đƣờng tốt. Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên

cứu vào việc sử dụng kỹ thuật OFDM cho truyền thông dƣới nƣớc.

Tuy nhiên, đặc điểm của tín hiệu OFDM là rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và sai

lệch tần số. Do vậy việc xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu OFDM và sai lệch

tần số bên phát trong môi trƣờng nhiễu cao nhƣ ở dƣới nƣớc là một trong những vấn đề

công nghệ quan trọng cần giải quyết. Thêm vào đó, khi có dịch chuyển tƣơng đối giữa

bên phát và bên thu sẽ gây ra hiệu ứng Doppler, làm sai lệch giữa tần số thu và phát gây

ra nhiễu liên sóng mang ICI ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng tín hiệu thu [24-28].

Có thể thấy rằng hệ thống thông tin dƣới nƣớc chịu nhiều ảnh hƣởng của các yếu tố

môi trƣờng, suy hao do khoảng cách, nhiễu, di chuyển… nên chất lƣợng của tín hiệu thu

đƣợc thƣờng rất thấp do tỷ lệ SNR nhỏ nên tỷ lệ lỗi SER thƣờng khá cao [15-17]. Việc

nghiên cứu ra các biện pháp để nâng cao chất lƣợng tín hiệu là rất cần thiết. Vì vậy, trong

chƣơng 4 của luận án sẽ đƣa ra các đề xuất tận dụng ngay các yếu tố bất lợi của việc

truyền thông nhƣ sự chuyển động tƣơng đối giữa phát và thu hay chuyển động của sóng

gió mặt nƣớc để tạo lập hệ thống truyền thông tận dụng tính phân tập không gian- thời

gian của tín hiệu thu đƣợc tƣơng đƣơng với hệ thống nhiều anten thu- phát (MIMO) để

cải thiện chất lƣợng tín hiệu giúp giảm tỷ lệ lỗi ký tự SER khi giải mã.

Để giải quyết những vấn đề nêu ở trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu ba vấn đề

chính sau:

- Thứ nhất là nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về đồng bộ thời gian cho tín hiệu

OFDM trong môi trƣờng dƣới nƣớc.

- Thứ hai là nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và đƣa ra các đề xuất mới để bù dịch

tần Doppler cho hệ thống thông tin dƣới nƣớc sử dụng kỹ thuật OFDM.

- Thứ ba là tìm ra các phƣơng pháp để cải thiện chất lƣợng tín hiệu thủy âm qua việc

ứng dụng đặc tính phân tập không gian-thời gian để hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten

thu – phát mà có khả năng nhƣ một hệ thống gồm nhiều anten (MIMO).

2. Những vấn đề còn tồn tại

Vấn đề : Có nhiều phƣơng pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, nhƣng chủ yếu là sử

dụng những chuỗi tín hiệu đặc biệt để gắn vào đầu hoặc cuối mỗi khung tín hiệu, nhƣ

phƣơng pháp Schmidl, phƣơng pháp Park, phƣơng pháp Minn và phƣơng pháp Seung.

Những phƣơng pháp này đƣợc đề cập trong [20,21] không phù hợp với tiêu chí truyền tin

của thông tin dƣới nƣớc do hệ thống cần phải tiết kiệm băng thông. Ngoài ra do đặc điểm

của sóng âm [14] khác với sóng vô tuyến nên việc áp dụng các phƣơng pháp trên cho

truyền tín hiệu dƣới nƣớc sẽ đạt hiệu quả không cao.

Vấn đề 2: Việc truyền tin dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất

chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và thu cũng gây ra

lƣợng dịch tần Doppler lớn ảnh hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu OFDM. Có nhiều nghiên

cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dƣới nƣớc sử dụng công nghệ OFDM nhƣ ở

trong [18,25]. Đặc điểm chung của các phƣơng pháp đó là việc tính toán độ dịch tần số

Doppler thƣờng đƣợc thực hiện sau khi đồng bộ. Thực tế, trong trƣờng hợp độ dịch tần

Doppler lớn kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín

hiệu phát nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệu để tính độ dịch

tần Doppler thƣờng không chính xác.

Vấn đề 3: Các phƣơng pháp bù dịch tần Doppler hiện nay [25, 26, 27] vẫn phải sử

dụng các chuỗi ký tự để thêm vào đầu các khung nên sẽ không cho hiệu quả tốt về tiết

kiệm băng thông nhƣ các phƣơng pháp [26, 27] đều phải sử dụng 2 bƣớc để bù dịch tần

Doppler đó là: đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Ở bƣớc đồng bộ thô, tần số Doppler sẽ đƣợc

tính toán gần đúng và làm tròn thành số nguyên. Ở bƣớc đồng bộ tinh, các phƣơng pháp

đó sẽ sử dụng thuật toán để tính toán chính xác tần số Doppler và sử dụng ma trận ICI để

khử nhiễu liên kênh trƣớc khi giải mã tín hiệu bên thu. Việc sử dụng 2 bƣớc tính toán

nhƣ vậy sẽ phức tạp và không thích ứng đƣợc khi tần số Doppler biến đổi nhanh.

Vấn đề 4: Do đặc điểm kênh truyền dƣới nƣớc chịu tác động của nhiều yếu tố nhƣ

nhiễu, dịch tần Doppler, nên tín hiệu giải thu đƣợc thƣờng bị sai và có chất lƣợng rất

thấp, có tỷ lệ lỗi tín hiệu SER cao [15-17]. Thông thƣờng trong các hệ thống vô tuyến thì

để nâng cao chất lƣợng tín hiệu thu, ngƣời ta sẽ sử dụng nhiều anten thu nhằm tận dụng

tính phân tập không gian của tín hiệu [86,87]. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều anten thu

phát (MIMO) sẽ khiến thiết bị trở nên cồng kềnh rất khó di chuyển đặc biệt trong môi

trƣờng dƣới nƣớc. Do vậy, việc tìm ra một giải pháp sử dụng hệ thống một thu - một phát

(SISO) nhƣng lại có có thể ứng dụng đƣợc các đặc tính của hệ thống MIMO đó là tận

dụng đƣợc tính phân tập không gian-thời gian của tín hiệu để giải quyết các vấn đề trên là

mục tiêu của luận án.

3. Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu thuật toán để đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trƣờng

truyền tin dƣới nƣớc với tiêu chí:

Chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ cho khung dữ liệu

nên cho hiệu quả sử dụng băng thông tốt.

Cho hiệu quả đồng bộ và chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc tốt hơn các phƣơng

pháp phổ biến.

Nghiên cứu phƣơng pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với các

ƣu điểm so với các phƣơng pháp hiện có:

Việc tính độ dịch tần Doppler đƣợc thực hiện trƣớc khi đồng bộ nên không

cần phải xác định chính xác điểm bắt đầu của mỗi khung tín hiệu.

Độ dài chuỗi sin ngắn nên tiết kiệm đƣợc băng thông đồng thời xử lý dễ dàng

hơn.

Xác định đƣợc gần chính xác tần số Doppler ngay từ bƣớc đồng bộ thô nên ở

bƣớc đồng bộ tinh chỉ cần sử dụng thuật toán xoay pha đơn giản.

Đề xuất một phƣơng pháp bù dịch tần Doppler hoàn toàn mới, sử dụng một tần số

sóng mang tín hiệu dẫn đƣờng (Carrier Frequency Pilot-CFP) để tính toán và bù

dịch tần Doppler với các tiêu chí:

Không sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt để gắn thêm vào nên tiết kiệm băng thông

so với các phƣơng pháp khác.

Sử dụng 2 bƣớc đồng bộ thô và đồng bộ tinh để tính toán và xác định độ dịch

tần Doppler.

Nghiên cứu cải tiến và đƣa ra phƣơng pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử

dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler với các tiêu chí:

Không sử dụng chuỗi ký tự gắn thêm vào (preamble) mà chỉ sử dụng CFP nên

tiết kiệm đƣợc băng thông so với cá phƣơng pháp khác.

Ở phần giải mã chỉ sử dụng một bƣớc duy nhất để tính độ dịch tần Doppler nên sẽ cho thời gian tính toán nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh của

hệ thống.

Đề xuất mô hình hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn ứng dụng đƣợc đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO với các tiêu chí sau:

Hệ thống đơn giản, nhỏ gọn dễ di chuyển trong môi trƣờng nƣớc. Cải thiện chất lƣợng tín hiệu sau khi giải mã.

4. Đối tƣợng nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình truyền thông tin dƣới nƣớc sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM.

Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng khoảng bảo vệ GI.

Thuật toán bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi hình sin và thuật toán xoay pha tín

hiệu.

Thuật toán bù dịch tần sử dụng sóng mang dẫn đƣờng CFP (Carrier Frequency Pilot)

và ứng dụng kỹ thuật giải mã trực tiếp (Direct Decoder) kết hợp CFP cho hệ thống

OFDM truyền thông dƣới nƣớc.

Đƣa ra giải pháp hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn tận dụng đƣợc đặc

tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO để cải thiện chất lƣợng tín

hiệu.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết và làm thực nghiệm, từ các kết quả thực nghiệm đƣa ra các đề

xuất mới phù hợp thực tế.

Nghiên cứu các thuật toán xử lý tín hiệu sóng âm truyền dƣới nƣớc.

Thu thập dữ liệu của hệ thống thông tin dƣới nƣớc tại Hồ Tiền-Đại học Bách Khoa

Hà Nội.

Phân tích và xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm Matlab kết hợp phần mềm phân tích dữ

liệu của phòng Lab Wicom.

6. Những giới hạn trong các nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu thực hiện chủ yếu ở môi trƣờng nƣớc nông có độ sâu không quá 50m.

Các kết quả nghiên cứu đƣợc thu thập từ thực nghiệm nên khác với các kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng sử dụng mô hình kênh đó là việc thực nghiệm chỉ có

thể thực hiện với một số hạn chế lần, cụ thể là từ một đến vài lần.

Bên thu và bên phát đƣợc gắn cố định hoặc bên thu là điểm cố định và bên phát

chuyển động tƣơng đối với bên thu.

7. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

 Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp cho lĩnh vực truyền thông tin

không dây dƣới nƣớc cụ thể giải quyết các vấn đề: đồng bộ tín hiệu, mã hóa và

giải mã tín hiệu, loại bỏ nhiễu, bù dịch tần Doppler,…

 Ngoài ra, các kết quả của luận án cũng là nền tảng để phát triển các phƣơng

pháp đồng bộ tín hiệu, tối ƣu hóa băng thông cho thông tin dƣới nƣớc, truyền

thông tin với sự biến đổi nhanh của tần số Doppler.

 Nội dung trình bày trong Chƣơng 3 của luận án đƣợc Cục sở hữu trí tuệ - Bộ

Khoa học và công nghệ cấp bằng độc quyền sáng chế.

 Các kết quả của luận án là những phƣơng pháp khả thi và có khả năng ứng

Ý nghĩa thực tiễn

dụng trong thực tế để phát triển thuật toán tối ƣu, thuật toán đồng bộ tín hiệu,

thuật toán bù dịch tần Doppler, nâng cao chất lƣợng tín hiệu trong thông tin dƣới

nƣớc.

 Ngoài ra các kết quả này cũng có thể đƣợc ứng dụng để các nhà sản xuất

trong nƣớc có thể thiết kế các hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc, các hệ thống

tàu ngầm, thăm dò đáy biển, bảo vệ chủ quyền lãnh hải,…

8. Các đóng góp mới của luận án

Luận án có các đóng góp mới nhƣ sau:

Đề xuất thuật toán về đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi bảo vệ GI cho hệ thống

OFDM dƣới nƣớc.

Đề xuất phƣơng pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin cho hiệu

quả sử dụng phổ tốt hơn và xử lý tín hiệu dễ dàng hơn. Tiếp theo, tác giả đề xuất

phƣơng pháp bù dịch tần Doppler không sử dụng các ký tự đặc biệt mà dùng tần

số sóng mang CFP (Nội dung này đƣợc cấp Bằng sáng chế của Cục sở hữu trí tuệ-

Bộ Khoa học và Công nghệ).Cuối cùng, tác giả đƣa ra phƣơng pháp mới về giải

mã trực tiếp sử dụng CFP để bù dịch tần Doppler cho hệ thống dƣới nƣớc.

Cải thiện chất lƣợng tín hiệu thủy âm sử dụng đặc tính phân tập không gian-thời

gian của hệ thống MIMO. Phƣơng pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một

cặp anten thu-phát (SISO), tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào

chất lƣợng kênh truyền. Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời điểm khác

nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian và sự dịch chuyển tƣơng đối giữa bên

toán lựa chọn tín hiệu thu sử dụng thuật toán giải mã tối ƣu tín hiệu của N khung

phát và bên thu tạo nên sự phân tập về không gian cho hệ thống. Đề xuất thuật

hiệu quả của quá trình truyền tin.

tín hiệu OFDM nhận đƣợc nhằm tối ƣu hóa quá trình giải mã tín hiệu và tăng

9. Bố cục của luận án

Nội dung của luận án chia làm 4 chƣơng:

Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống thông tin dƣới nƣớc

Chƣơng này gồm 2 phần:

Trình bày các đặc tính của hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc

Ứng dụng kỹ thuật OFDM cho hệ thống thủy âm và so sánh ƣu nhƣợc điểm của hệ

thống OFDMA và SC-FDMA.

Chƣơng 2. Đồng bộ tín hiệu cho hệ thống OFDM

Chƣơng này gồm 2 phần:

Trình bày các phƣơng pháp đồng bộ thời gian cho hệ thống OFDM.

Đề xuất phƣơng pháp đồng bộ thời gian mới chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI kết hợp

với thuật toán xác định vị trí khoảng bảo vệ.

Chƣơng 3. Phƣơng pháp bù dịch tần Doppler

Chƣơng này gồm 3 phần:

Đề xuất bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với kết quả có nhiều ƣu

điểm so với các phƣơng pháp hiện nay.

Đề xuất phƣơng pháp hoàn toàn mới, không sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt mà chỉ sử

dụng tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng CFP để tính toán và bù dịch tần Doppler qua

2 bƣớc đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine

synchronization).

Nghiên cứu cải tiến và đƣa ra phƣơng pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Dopple chỉ sử dụng một bƣớc đồng bộ duy nhất.

Chƣơng 4. Truyền thông dƣới nƣớc sử dụng mô hình SISO (1 anten phát-1 anten thu)

kết hợp đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO Chƣơng này gồm 2 phần:

Trình bày về đặc tính phân tập không gian- thời gian của hệ thống MIMO.

Áp dụng kỹ thuật phân tập không gian-thời gian cho hệ thống truyền thông dƣới

nƣớc chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát. Kỹ thuật đề xuất đặc biệt hiệu quả đối

với trƣờng hợp có sự dịch tần Doppler của tín hiệu thu đƣợc nghĩa là có sự chuyển

động tƣơng đối giữa bên phát và bên thu. Phƣơng pháp đề xuất truyền tín hiệu

thủy âm từ một cặp anten thu-phát, tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy

thuộc vào chất lƣợng kênh truyền. Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời

điểm khác nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian. Do có sự chuyển động tƣơng

đối giữa bên phát và thu nên cùng một tín hiệu truyền đi sẽ đƣợc thực hiện ở hai vị

trí khác nhau điều này tạo nên tính phân tập trong không gian tín hiệu. Dựa trên

đặc tính phân tập này của tín hiệu, luận án đề xuất một phƣơng pháp lựa chọn và

giải mã tín hiệu gần với tối ƣu. Phƣơng pháp đề xuất ƣu việt hơn so với kỹ thuật

MRC thông thƣờng và tiết kiệm thời gian giải mã tín hiệu để phù hợp với việc

truyền thông tin thời gian thực.

CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC

1.1. Giới thiệu chƣơng

Hệ thống thông tin dƣới nƣớc [6,8] đã đƣợc nghiên cứu từ rất nhiều thập kỉ trƣớc

trên thế giới. Cùng với các hệ thống truyền thông trên mặt đất, hệ thống thông tin dƣới

nƣớc ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống. Tuy nhiên, do

những tính chất của môi trƣờng nên hệ thống thông tin thủy âm có nhiều điểm khác biệt

với hệ thống thông tin thông thƣờng sử dụng sóng vô tuyến trên mặt đất.

Chƣơng 1 trình bày về các đặc điểm của sóng âm - loại sóng đƣợc sử dụng trong

truyền thông tin dƣới nƣớc, và các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống, qua đó giúp ta có

đƣợc cái nhìn tổng quan về hệ thống.

Hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc mà đặc biệt là truyền nƣớc nông mà luận án tập

1.2. Đặc điểm hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc

trung nghiên cứu có những đặc tính khác biệt so với hệ thống truyền thông tin trên cạn.

Cụ thể đó là trong môi trƣờng nƣớc có rất nhiều các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình

truyền thông tin đó là yếu tố thuộc đặc tính môi trƣờng nƣớc, địa hình bề mặt đáy, tính đa

đƣờng, hiệu ứng Doppler,… [12-14]. Chính vì vậy, việc tập trung nghiên cứu vào các

vấn đề đồng bộ hệ thống, bù dịch tần Doppler, loại bỏ các loại nhiễu ISI, ICI, giải mã,

khôi phục và cải thiện chất lƣợng tín hiệu là mục tiêu của luận án.

1.3. Hệ thống truyền thông tin dƣới nƣớc

Phần này sẽ trình bày về những yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình truyền sóng âm

dƣới nƣớc. Các yếu tố này bao gồm: các yếu tố về môi trƣờng, tính đa đƣờng, suy hao,

nhiễu môi trƣờng, hiệu ứng Doppler,… [9, 10, 11].

1.3.1. Các thông số chủ yếu của môi trƣờng thủy âm

Bảng 1. Các thông số của hệ thống truyền tin dƣới nƣớc [10,11,12]

Sóng vô tuyến

Sóng ánh sáng

Sóng âm

Tốc độ truyền

~1500 m/s

~33.333.333 m/s

Suy hao năng

Phụ thuộc vào độ đục

>0,1dB/m/Hz

~28 dB/km/100MHz

lƣợng

của nƣớc

Băng thông

~kHz

~MHz

~10-150 MHz

Kích thƣớc

~0,1 m

~0,5 m

~0,1 m

Ănten

Dải tần hoạt động

~kHz

~MHz

Khoảng cách

~km

~10 m

10-100 m

1.3.2. Tính đa đƣờng trong lan truyền sóng âm

Truyễn dẫn đa đƣờng trong truyền thông vô tuyến [14] gây ra nhiễu liên kí tự ISI

(Inter - Symbol Interference) và Fading của kênh trong miền tần số. Mặt khác, truyền dẫn

đa đƣờng dẫn đến khoảng thời gian trễ khác nhau của các tín hiệu khác nhau nhận đƣợc ở

phía thu, điều này làm khó khăn cho quá trình hiệu chỉnh dữ liệu. Hiện tƣợng đa đƣờng

[13] trong môi trƣờng nƣớc khác rất nhiều so với hiện tƣợng đa đƣờng trong môi trƣờng

trên cạn. Nó bị chi phối bởi hai hiệu ứng: phản xạ âm thanh ở bề mặt, ở đáy, hay phản xạ

với bất kì vật thể nào và khúc xạ âm thanh trong nƣớc [14]. Mỗi đƣờng truyền có những

đặc trƣng riêng của mình, chẳng hạn nhƣ sự lan truyền, hấp thụ, tốc độ trải trễ. Do đó,

mô hình hệ thống thực nghiệm cần phải đƣợc xem xét cho từng loại đƣờng dẫn.

1.3.3. Suy hao trong môi trƣờng nƣớc

Tín hiệu sóng âm khi truyền trong môi trƣờng nƣớc [15] sẽ chịu ảnh hƣởng của

suy hao. Suy hao trong môi trƣờng nƣớc khi truyền sóng âm sẽ ảnh hƣởng đến rất nhiều

yếu tố đó là việc lựa chọn tần số sóng âm để truyền và phạm vi truyền tín hiệu.

1.3.4. Nhiễu môi trƣờng

Nhiễu trong một kênh thông tin dƣới nƣớc bao gồm nhiễu từ môi trƣờng xung

quanh và nhiễu tại một vị trí cụ thể. Nhiễu từ môi trƣờng xung quanh luôn luôn tồn tại,

trong khi nhiễu tại một vị trí cụ thể là duy nhất cho vị trí đó. Nhiễu từ môi trƣờng xung

quanh xuất phát từ một số nguồn nhƣ sự bất ổn định, sóng vỗ, mƣa và chuyển động của

tàu thuyền. Nhiễu này không phải là nhiễu trắng và đƣợc xấp xỉ bằng nhiều Gauss. Mặt

khác, nhiễu tại một vị trí cụ thể thƣờng có chứa một số lƣợng lớn các thành phần không

phải nhiễu Gauss.

1.3.5. Hiệu ứng Doppler

Chuyển động tƣơng đối giữa máy thu và máy phát gây nên thay đổi trong đáp ứng

kênh truyền do hiệu ứng Doppler [15,16]. Biên độ của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với tỉ số:

, trong đó v là chuyển động tƣơng đối giữa máy thu và máy phát, c là vận tốc âm

thanh trong nƣớc. Do vận tốc âm thanh trong nƣớc là khá nhỏ khi so sánh với vận tốc của

sóng điện từ trên không trung nên ảnh hƣởng của hiệu ứng Doppler là rất lớn [18,26,27].

Các thiết bị tự động dƣới nƣớc di chuyển với tốc độ khoảng vài m/s, tuy nhiên kể cả khi

không có những chuyển động thì những ảnh hƣởng nhƣ sự trôi dạt gây nên bởi sóng,

thủy triều cũng luôn tồn tại. Nói cách khác luôn có chuyển động tƣơng đối giữa máy thu

và máy phát, hệ thống thông tin thông tin dƣới nƣớc cần đƣợc thiết kế nhằm giải quyết

vấn đề này. Vấn đề này có nhiều điểm tƣơng đồng với hệ thống vô tuyến dẫn qua vệ tinh.

Méo tín hiệu gây ra do chuyển động của thiết bị tác động đến việc thiết kế thuật toán

đồng bộ và ƣớc lƣợng kênh truyền.

Mức độ ảnh hƣởng của méo lên tín hiệu phụ thuộc trực tiếp vào giá trị của thông

số . Ta làm phép so sánh sau: với hệ thống thông tin vô tuyến có độ dịch chuyển tƣơng

đối giữa nguồn thu và phát là: 160km/h thì , giá trị này đủ nhỏ để ảnh

hƣởng của hiệu ứng Doppler có thể đƣợc bỏ qua. Nói cách khác, việc xem xét ảnh hƣởng

độ méo của tín hiệu trong quá trình đồng bộ là không cần thiết vì xác suất lỗi bit là rất

nhỏ. Ngƣợc lại, với kênh thông tin dƣới nƣớc, giả sử độ dịch chuyển giữa nguồn phát và

thu là 0.5 m/s thì . Nếu nhƣ dịch chuyển tƣơng đối lên tới vài m/s, giá trị

của vào khoảng , nên giá trị này không thể bỏ qua đƣợc.

Dịch chuyển Doppler [17] và trải phổ Doppler sinh ra do chuyển động tƣơng đối

là một trong những yếu tố khác biệt giữa kênh thông tin dƣới nƣớc với kênh thông tin

trên cạn. Trải phổ Doppler gây ra lệnh pha, trễ đồng bộ. Trong hệ thống thông tin dƣới

nƣớc dùng đa sóng mang, hiệu ứng Doppler còn gây ra méo đặc biệt nghiêm trọng.

Trong hệ thống thông tin vô tuyến trên không trung, sự nén, giãn theo thời gian là có thể

bỏ qua, hiệu ứng Doppler là nhƣ nhau với tất cả các sóng mang con. Với hệ thống thông

tin dƣới nƣớc, ảnh hƣởng của dịch chuyển Doppler lên mỗi sóng mang con là khác nhau

đáng kể, điều này gây nên méo Doppler không động bộ trên toàn bộ băng thông tín hiệu.

Gần đây, việc phát hiện ra tín hiệu đa đƣờng không phải liền nhau, mà là những

tín hiệu tới cách biệt nhau đã giúp cải thiện đáng kể hiệu năng của cả hệ thống đơn sóng

mang và đa sóng mang. Những nghiên cứu gần đây cũng đạt đƣợc kết quả nhất định

trong việc đánh giá những cải thiện trong kênh thông tin thủy âm sử dụng.

1.3.6. Nhận xét

Về cơ bản việc truyền tín hiệu trong môi trƣờng không khí và trong môi trƣờng

nƣớc có nhiều điểm giống nhau. Khi truyền tín hiệu trong mỗi môi trƣờng đều gặp phải

những vấn đề về đƣờng truyền, các loại suy hao và nhiễu ảnh hƣởng lên hệ thống. Nhƣng

vì môi trƣờng dƣới nƣớc là môi trƣờng có tính chất phức tạp hơn nên việc khôi phục tín

hiệu sau khi truyền đi cũng tƣơng đối khó khăn. Chính những khó khăn này của truyền

thông dƣới nƣớc đã thúc đẩy việc nghiên cứu chuyên sâu để đƣa ra các biện pháp kỹ

thuật mới đƣợc đề cập trong nội dung của luận án.

1.4. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) trong môi trƣờng dƣới

nƣớc

Có nhiều kỹ thuật đƣợc sử dụng cho việc truyền thông tin dƣới nƣớc nhƣ ASK,

FSK, M_PAM, M_QAM. Mỗi kỹ thuật có những ƣu điểm và nhƣợc điểm khác nhau

[1,2]. Tuy nhiên với mục tiêu sử dụng hiệu quả băng thông thì kỹ thuật điều chế OFDM

là một trong những kỹ thuật đƣợc luận án lựa chọn. Việc sử dụng kỹ thuật điều chế đa

sóng mang trực giao OFDM đã đƣợc áp dụng trong [6], [17].

Luận án sẽ trình bày về kỹ thuật OFDM và mô hình hệ thống OFDM để qua đó ta

có cái nhìn tổng quát về kỹ thuật OFDM và ứng dụng kỹ thuật đó trong truyền thông

dƣới nƣớc.

1.4.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDM

OFDM là cụm từ viết tắt của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép

kênh. Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) đƣợc chia thành N

chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N

chuỗi con này đƣợc điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này

đƣợc cộng với nhau và đƣợc phát lên kênh truyền đồng thời. Ở phía quá trình thu tín hiệu

thì đƣợc thực hiện ngƣợc lại.

OFDM là trƣờng hợp đặc biệt của FDM (Frequency-division multiplexing). Bản

chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều

chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu.

Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh đƣợc nhiễu giữa các sóng

mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference). Ta có thể thấy đƣợc điều này qua phổ của

tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM.

Hình 1.1. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM

Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao đƣợc chia thành các chuỗi con có

tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ của

chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hƣởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều

đƣợc giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu.

Một ƣu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần số

và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng có

thể gây ảnh hƣởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (Hình 1.3a). Nhƣng đối với hệ thống đa sóng

mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hƣởng

(Hình 1.3b), và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phƣơng pháp mã hoá sửa sai.

Hình 1.2. a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b.Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang

1.4.2. Tính trực giao

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu nhƣ chúng độc lập với nhau. Tính trực giao là

một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin đƣợc truyền và thu tốt trên một kênh

truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực giao sẽ làm

cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và bên thu khó khôi phục lại đƣợc

hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong hệ thống OFDM, các sóng mang con đƣợc chồng lấp

với nhau nhƣng tín hiệu vẫn có thể đƣợc khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các

sóng mang kế cận bởi vì các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu đƣợc

gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa mãn điều kiện.

(1.1)

với S*(t) là ký hiệu của liên hợp phức S(t). Ts là chu kỳ ký hiệu. K là hằng số.Tập N

sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức:

(1.2)

với k = 0, 1, …, N-1

Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng và trực giao từng đôi

một do thỏa mãn điều kiện.

Ta xét hai sóng mang và

(1.3)

Hình 1.3. Phổ của các sóng mang trực giao

Nhƣ vậy, các sóng mang trực giao từng đôi một hay còn gọi là độc lập tuyến tính.

Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sin(x) do mỗi ký hiệu trong

miền thời gian đƣợc giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở

tần số trung tâm và các vị trí null (tại đây biên độ bằng 0) tại các điểm cách tần số trung

tâm một khoảng bằng bội số của FS. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null

của các sóng mang còn lại (Hình 1.4) và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho

nhau.

1.4.3. Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang

a. Khái niệm

Trong môi trƣờng đa đƣờng, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời

gian khác nhau thông qua nhiều đƣờng khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra

sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trƣớc đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự

(ISI). Trong OFDM, ISI thƣờng đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trƣớc

đó.

Hình 1.4. Phổ của bốn sóng mang trực giao

Trong hệ thống OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhƣng vẫn trực giao

với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì

phổ của các sóng mang khác bằng không. Bên thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các

sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng để tránh nhiễu từ các sóng mang

khác. Nhiễu gây ra bởi ký tự trên sóng mang kề nhau đƣợc xem là nhiễu xuyên kênh

(ICI).

Tính chất trực giao của sóng mang có thể đƣợc nhìn thấy trên giản đồ trong miền

thời gian hoặc trong miền tần số. Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang có dạng

hình sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT. Từ giản đồ miền tần số, điều này tƣơng

ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và bằng không

tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Hình 1.5 biểu diễn phổ của bốn sóng mang

trong miền tần số cho trƣờng hợp trực giao.

Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng

mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Từ giản đồ miền thời

ê i B

ộ đ

gian, tƣơng ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT.

tầ Hình 1.5. Phổ của bốn sóng mang không trực giao n số

Nhiễu ICI xảy ra khi kênh đa đƣờng khác nhau trong hệ thống OFDM. Dịch tần

Doppler trên mỗi thành phần đa đƣờng gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là

mất tính trực giao giữa chúng. Nhiễu ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI.

Sự bù tần số sóng mang của bên phát và bên thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM.

b. Phƣơng pháp chống nhiễu liên ký hiệu

Hình 1.6. Ảnh hưởng của ISI

Hình 1.7 cho ta thấy một ký hiệu và phiên bản trễ của nó. Chính thành phần trễ

này gây ra nhiễu ảnh hƣởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo. Đây chính là nhiễu liên

ký hiệu ISI.

Hình 1.7. Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống

Để loại bỏ sự ảnh hƣởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu trƣớc đó

(ký hiệu i – 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải (τmax). Một khoảng rỗng do đó sẽ đƣợc

chèn vào giữa hai ký hiệu, nhƣng nhƣ vậy tín hiệu sẽ bị thay đổi đột ngột và mất tính liên

tục. Vì vậy, trong thực tế ngƣời ta chèn khoảng bảo vệ ∆G đƣợc copy từ phần cuối của

ký hiệu và dán vào phần đầu ký hiệu đó nhƣ Hình 1.7. Khoảng bảo vệ này đƣợc gọi là

cyclic prefix. Chiều dài của khoảng bảo vệ cần đƣợc hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử

dụng băng tần, nhƣng nó vẫn phải dài hơn khoảng trễ trải của kênh truyền nhằm loại bỏ

đƣợc nhiễu ISI. Ở bên thu, khoảng bảo vệ này đƣợc loại bỏ trƣớc khi thực hiện giải điều

chế.

Hình 1.8. Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix

1.4.4. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM

OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy

nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực

hiện hệ thống sử dụng OFDM:

- Ƣớc lƣợng tham số kênh.

- Đồng bộ

- Giảm tỉ số công suất tƣơng đối cực đại PAPR (Peak to Average Power Ratio)

Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống OFDM nếu dùng

phƣơng pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các

nhƣợc điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống, ngƣời ta sử

dụng mã hóa tín hiệu OFDM.

1.4.4.1. Ƣớc lƣợng tham số kênh

Ƣớc lƣợng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm

truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử

dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ƣớc lƣợng kênh, phƣơng pháp phổ

biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đƣờng (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong

phƣơng pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã đƣợc bên thu biết trƣớc về

pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu đƣợc với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ

cho biết ảnh hƣởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ƣớc lƣợng kênh có thể

đƣợc phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các

đáp ứng xung h(n) của các kênh con đƣợc ƣớc lƣợng. Trong miền tần số thì các đáp ứng

tần số H(k) của các kênh con đƣợc ƣớc lƣợng. Có hai vấn đề chính đƣợc quan tâm khi sử

dụng tín hiệu dẫn đƣờng :

 Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot : Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu,

hạn chế tổn hao về năng lƣợng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ

thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể đƣợc thực hiện trên giản đồ

thời gian-tần số, vì vậy kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với

hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hƣởng rất lớn đến

các chỉ tiêu hệ thống.

 Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ƣớc lƣợng kênh: Phải giảm đƣợc độ phức tạp

của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo đƣợc độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc

độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai

yêu cầu ngƣợc nhau. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên.

1.4.4.2. Đồng bộ trong OFDM

Trong các hệ thống thông tin thì đồng bộ là một vấn đề quan trọng, việc đồng bộ

đúng sẽ quyết định việc thu có chính xác hay không và tín hiệu có giải mã đƣợc không.

Đối với hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật OFDM thì việc đồng bộ chính xác lại càng

trở nên quan trọng vì nó liên quan tới cửa sổ FFT sử dụng để giải điều chế tín hiệu và khả

năng giảm nhiễu liên sóng mang ICI. Vì vậy, để thực hiện đồng bộ trong hệ thống OFDM

có hai vấn đề cần giải quyết. Thứ nhất là đồng bộ về thời gian và thứ hai là đồng bộ về tần

số. Việc đồng bộ thời gian là cần xác định chính xác điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu

OFDM. Đối với vấn đề đồng bộ tần số thì phải đảm bảo đƣợc tần số tín hiệu thu đƣợc

giống nhƣ là tần số tín hiệu bên phát.

a.Đồng bộ thời gian

Tại bên thu sẽ cần xác định chính xác điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi tín hiệu

OFDM để tách ra đƣợc các tín hiệu riêng biệt sử dụng cho việc giải mã. Quá trình xác

định này sẽ trở nên khó hơn trong trƣờng hợp hệ thống thu phát di chuyển, khi đó tín

hiệu thu đƣợc sẽ bị co dãn về độ dài. Ví dụ nếu bên thu tiến lại gần bên phát thì các tín

hiệu OFDM thu đƣợc sẽ bị co ngắn lại, còn trƣờng hợp bên thu di chuyển xa ra khỏi phía

phát thì tín hiệu thu bị kéo dãn ra.

b. Đồng bộ về tần số

Đồng bộ tần số là vấn đề quyết định đối với hệ thống thông tin đa sóng mang. Nếu

việc thực hiện đồng bộ không bảo đảm, các chỉ tiêu chất lƣợng cũng nhƣ các ƣu điểm của

hệ thống này so với hệ thống thông tin đơn sóng mang truyền thống bị giảm đi đáng kể.

Trong hệ thống OFDM, do tính trực giao của các sóng mang con đòi hỏi rất chặt chẽ nên

việc đồng bộ giữa các sóng mang cũng cần đƣợc hết sức quan tâm để đảm bảo cho việc

phục hồi tín hiệu. Có hai nguyên nhân chính dẫn đễn việc mất đồng bộ sóng mang, đó là:

Sự suy giảm biên độ sóng mang thu (do thời điểm lấy mẫu tại máy thu không nằm đúng

vào đỉnh của xung sin [sinc (x) = sin x / x]) và nhiễu kênh lân cận ICI....)

Hình 1.9. Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang

1.4.4.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio: Tỷ số công suất đỉnh trên công

suất trung bình)

Trong tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ đƣợc điều chế độc lập có

biên độ và pha khác nhau. Những sóng mang phụ này có phổ khác nhau trong miền tần

số và đƣợc truyền cùng lúc. Khi những sóng mang phụ đƣợc cộng liền mạch với nhau,

công suất đỉnh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với công suất trung

bình. Trong trƣờng hợp xấu nhất, khi N tín hiệu đƣợc cộng cùng pha, công suất đỉnh sẽ

lớn hơn N lần so với công suất trung bình.

a. Nguyên nhân

Kỹ thuật OFDM chia băng thông của tín hiệu thành những sóng mang phụ có băng

thông hẹp hơn và truyền dữ liệu một cách song song. Nó có nhiều lợi ích khác nhau, nhƣ

tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm nhiễu ISI và ICI… Nhƣng tỷ số công suất đỉnh trên

công suất trung bình cao là một trong những nhƣợc điểm chính trong hệ thống OFDM.

PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến tính

cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn. Do đó, yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống

OFDM là cần thiết.

b. Các phƣơng pháp giảm công suất đỉnh trên công suất trung bình

Kỹ thuật xén tín hiệu: bao gồm các phƣơng pháp: xén (clipping), cửa sổ đỉnh (peak

Để giảm PAPR, có nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng. Có 3 nhóm chính:

windowing), điều khiển tín hiệu (commanding). Cách đơn giản nhất để giảm

Kỹ thuật mã hóa: nguyên lý của phƣơng pháp này là chọn những từ mã với PAPR

PAPR là phƣơng pháp xén công suất tín hiệu truyền dƣới 1 mức ngƣỡng.

nhỏ. Một số từ mã cũng có khả năng sửa lỗi cao. Chuỗi bổ sung Golay lấy từ mã

Reed-Muller là một trong những từ mã rất tốt thƣờng đƣợc sử dụng và nó cũng

cung cấp một khả năng sửa lỗi cao cùng một thời điểm. Mặc dù mã hóa là phƣơng

pháp rất tốt để giảm PAPR, nhƣng rất khó để tìm đƣợc đủ từ mã có PAPR nhỏ,

Kỹ thuật xáo trộn symbols: nhóm kỹ thuật này còn đƣợc gọi là kỹ thuật xử lý tín

nhất là đối với những hệ thống OFDM có nhiều sóng mang phụ.

hiệu tuyến tính. Ý tƣởng cơ bản của nhóm phƣơng pháp này là mỗi symbol

OFDM sẽ đƣợc xáo trộn thành những chuỗi khác nhau. Chuỗi có PAPR nhỏ nhất

sẽ đƣợc chọn để truyền đi. Phƣơng pháp này lại có một số vấn đề cần phải giải

quyết đó là: PAPR phải đƣợc tính ở phía phát và thông tin về chuỗi đƣợc chọn sau

khi đã xáo trộn cần phải đƣợc biết ở phía thu để giải xáo trộn ở phía thu.

Phƣơng pháp xén là phƣơng pháp đơn giản nhất để giảm tỷ số PAPR, đỉnh đƣờng bao

của tín hiệu vào sẽ bị giới hạn bởi một giá trị ngƣỡng đƣợc thiết lập trƣớc.

Phƣơng pháp xén là kỹ thuật xử lý tín hiệu không tuyến tính và sẽ làm méo dạng tín

hiệu và làm tăng tỷ lệ bit lỗi.

Phƣơng pháp mã hóa sẽ chọn từ mã có PAPR nhỏ để làm giảm PAPR cho tín hiệu khi

phát đi. Mã tốt nhất sẽ đƣợc tìm và lƣu lại trong bảng để thực hiện mã hóa và giải mã.

Việc tìm ra mã tốt nhất và sắp xếp nó vào trong bảng sẽ rất phức tạp, nhất là đối với hệ

thống OFDM có nhiều sóng mang con.

Mã hóa sửa sai có thể đƣợc sử dụng nhƣ là một phƣơng pháp tối ƣu nó vừa có tác

dụng trong việc mã hóa và sửa sai, lại có công dụng làm giảm đi PAPR cho hệ thống

OFDM.

1.5. Sử dụng phƣơng pháp điều chế khác tƣơng đƣơng kỹ thuật OFDM

1.5.1. Đặt vấn đề

Một số công nghệ truyền tin mới đƣợc ứng dụng trong truyền thông dƣới nƣớc

nhƣ OFDM [17,20] đƣợc ứng dụng do khả năng sử dụng hiệu quả băng tần và đặc biệt là

khả năng chống nhiễu đa đƣờng tốt. Tuy nhiên OFDM có nhƣợc điểm là có PAPR cao

nên ảnh hƣớng đến khả năng hoạt động của bộ khuếch đại công suất từ đó làm giảm đáng

kế khoảng cách truyền tin. Việc giảm PAPR có nhiều giải pháp [4] mà trong đó sử dụng

kỹ thuật SC-FDMA là một giải pháp đáng quan tâm. SC-FDMA [2,3] cũng đƣợc sử dụng

trong đƣờng xuống mạng thông tin di động LTE - 4G [4,5]. Việc nghiên cứu so sánh hai

hệ thống OFDMA và SC-FDMA đã đƣợc trình bày trong một số bài báo [5,6] nhƣng kết

quả chƣa đƣợc rõ ràng và chƣa đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm đối với môi trƣờng

dƣới nƣớc có tác động của ảnh hƣởng của nhiều loại nhiễu khác nhau. Thêm vào đó,

trong thông tin thủy âm thì việc sử dụng OFDMA hay SC-FDMA chƣa đƣợc chuẩn hóa

nhƣ trong các hệ thống của mạng thông tin di động LTE. Bởi vậy, trong luận án này

trƣớc khi đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật OFDM cho môi trƣờng truyền thông dƣới nƣớc,

tác giả có thực hiện việc so sánh giữa hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và hệ thống

sửa dụng kỹ thuật SC-FDMA trong việc truyền dẫn thông tin. Các kết quả so sánh đƣợc

thực hiện bằng phƣơng pháp mô phỏng và thực nghiệm trên kênh thủy âm để kiểm

chứng.

1.5.2. Mô hình so sánh OFDMA và SC-FDMA

Sơ đồ hệ thống OFDMA và SC-FDMA đƣợc mô tả nhƣ hình dƣới đây:

Hình 1.10. Sơ đồ so sánh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA [5]

Giải thích chức năng các khối trong mô hình hệ thống:

(1): Khối biến đổi từ nối tiếp sang song song

(2): Khối điều chế M-QAM

(3): Khối biến đổi Fourier rời rạc

(4): Khối sắp xếp các sóng mang con

(5): Khối biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc

(6): Khối biến đổi từ song song sang nối tiếp

(7): Khối chèn pilot và các ký tự đặc biệt

(8): Khối biến đổi DAC

(9): Transducer phát

(10): Môi trƣờng thủy âm

(11): Hydrophone thu

(12): Khối biến đổi ADC

(13): Khối loại bỏ pilot và các ký tự đặc biệt

(14): Khối biến đổi từ nối tiếp sang song song

(15): Khối biến đổi Fourier rời rạc

(16): Khối giải sắp xếp và cân bằng các sóng mang con

(17): Khối biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc

(18): Khối giải điều chế M-QAM

(19): Khối biến đổi từ song song sang nối tiếp

Nguyên lý hoạt động của hệ thống nhƣ sau: dòng bit dữ liệu vào sẽ đƣợc đƣa qua bộ

biến đổi nối tiếp thành M dòng bit song song. Tiếp đó các dòng bit đƣợc đƣa vào khối

điều chế M-QAM, đầu ra khối điều chế MQAM là tín hiệu:

S=[S0 S1 …. SM-1] (1.4)

Đối với trƣờng hợp điều chế SC-FDMA thì tín hiệu S sẽ đƣợc đƣa đến khối biến

đổi FFT, đầu ra khối FFT là tín hiệu:

X=[X0 X1 …. XM-1] gồm M phần tử (1.5)

Trong trƣờng hợp điều chế OFDM sẽ không có khối biến đổi FFT nên trƣờng

hợp này tín hiệu X = S.

Để có thể truyền đƣợc tín hiệu chỉ gồm các giá trị thực sau khi biến đổi IFFT,

kỹ thuật ánh xạ sắp xếp tín hiệu lên sóng mang đặc biệt đƣợc sử dụng.

Ở đầu vào khối ánh xạ gồm M phần tử X. Khối ánh xạ sẽ sắp xếp các tín hiệu

này lên các sóng mang OFDM tại dải tần số mong muốn đƣợc tính toán dựa trên tần số

lấy mẫu. Khi đó đầu ra khối ánh xạ là NFFT tín hiệu:

Y=[Y0 Y1 …..YNFFT-1] (1.6)

Giá trị cụ thể của Y đƣợc lấy từ X và các số 0 đại diện cho các sóng mang

zeros nhƣ sau:

Y=[0 ….0 X0 X1 …. XM-1 0 0 . . .. XM-1* …. X1* X0* 0 . …0] (1.7)

Tín hiệu Y sau khối ánh xạ đƣợc đƣa qua khối biến đổi IFFT sẽ cho NFFT kết quả

đầu ra gồm toàn số thực.

Tiếp đó tín hiệu đƣợc chuyển đổi từ song song sang nối tiếp và đƣa tới khối chèn

khoảng bảo vệ để chống nhiễu ISI (Intersymbol Interference) rồi qua biến đổi số tƣơng tự

(DAC) tới transducer để phát đi dƣới dạng tín hiệu sóng âm.

Ở sơ đồ thu, tín hiệu nhận đƣợc thông qua Hydrophone sẽ đƣợc giải mã OFDMA

hay SC-FDMA tùy thuộc vào tín hiệu phát.

Trong trƣờng hợp thực hiện mô phỏng để tính tỷ lệ lỗi tín hiệu (SER), kênh

truyền dƣới nƣớc sẽ đƣợc tạo ra là kênh Rayleigh. Sau đó nhiễu trắng và nhiễu màu sẽ

đƣợc cộng vào tín hiệu.

Để đảm bảo công suất của hai hệ thống là bằng nhau thì ở khối FFT trong SC-

FDMA sẽ đƣợc chia cho khi phát đi và ở bên thu thì sẽ nhân với .

Để thực hiện ƣớc lƣợng kênh truyền, mẫu Pilot sau đƣợc sử dụng:

Hình 1.11. Mô hình chèn pilot

Để tính toán giá trị kênh truyền, kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh là LS (Least Square) và phƣơng

pháp nội suy bằng bộ lọc cosin nâng với hàm đặc tuyến (sinx/x) đƣợc sử dụng.

1.5.3. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng đƣợc thực hiện với hai trƣờng hợp: thứ nhất là kênh Gauss và

thứ hai là kênh Rayleigh. Thông số mô phỏng là độ dài NFFT = 2048, khoảng bảo vệ

GI=1024

Hình 1.12. Kết quả mô phỏng và lý thuyết trong trường hợp điều chế BPSK,

NFFT=2048, GI=1024, với kênh Rayleigh nTap=10

Nhận xét: Với cùng một giá trị SNR thấp, điều chế SC-FDMA cho chất lƣợng tín hiệu

không tốt bằng hệ thống OFDMA.

Kết quả trong trƣờng hợp có cắt bỏ PAPR.

Hình1.13. Dạng tín hiệu OFDM và SC-FDMA bị cắt đỉnh khi vượt ngưỡng

Hình 1.14. So sánh kết quả mô phỏng

1.5.4. Kết quả thực nghiệm

Hệ thống đƣợc thực nghiệm tại Hồ Tiền trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Khoảng cách

giữa phát thu là 50m, tín hiệu đƣợc phát đảm bảo công suất là nhƣ nhau và vị trí của các

transducer là không thay đổi. Các thông số điều chế: NFFT=2048, GI=1024, dải tần fmin=12

KHz; fmax=15 KHz, điều chế QPSK.

Kết quả thực nghiệm cho thấy: SER của hệ thống OFDMA bằng 0.048 còn SER của hệ thống

SC-FDMA là 0.103.

Nhƣ vậy có thể kết luận rằng hệ thống truyền thông tin trong môi trƣờng dƣới nƣớc sử dụng kỹ

thuật điều chế OFDMA sẽ cho tỷ lệ lỗi ký tự sau khi giải mã thấp hơn so với hệ thống sử dụng

kỹ thuật SC-FDMA.

Sau khi giải mã tín hiệu và ánh xạ tín hiệu lên các chòm sao điều chế, ta sẽ thu đƣợc các kết quả

nhƣ sau:

Hình 1.15. a. Chòm sao OFDMA thu được SER=0.048

b. Chòm sao SC-FDMA SER=0.103

1.5.5. Nhận xét

Việc truyền tin dƣới nƣớc sử dụng điều chế OFDMA và SC-FDMA là hoàn toàn

khả thi. Tuy nhiên mặc dù SC-FDMA có lợi hơn OFDMA về tỷ số PAPR nhƣng với

cùng các thông số điều chế nhƣ nhau cả về lý thuyết, mô phỏng và thực tế khi áp dụng

trong môi trƣờng truyền thông dƣới nƣớc thì trong cả hai trƣờng hợp tín hiệu có cắt

PAPR và không cắt PAPR thì hệ thống SC-FDMA đều cho chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc

kém hơn so với hệ thống OFDM.

1.6. Kết luận chƣơng

Trong chƣơng này luận án đã trình bày chi tiết về kỹ thuật OFDM, đồng thời cũng

phân tích các ƣu - nhƣợc điểm cũng nhƣ các vấn đề kỹ thuật ảnh hƣởng đến chỉ tiêu chất

lƣợng hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM. Từ đó ta có thể áp dụng những lợi thế của kỹ

thuật OFDM trong việc giải quyết các vấn đề trong hệ thống thông tin dƣới nƣớc.

Kết quả của Chƣơng đƣợc trình bày trong bài báo sau:

J1. Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen (Hanoi University of Science and

Technology, Vietnam), “Comparison of single carrier FDMA vs. OFDMA in underwater

acoustic communication systems”, in pp.65-68 Journal of Science& Technology on

Information and Communications (JSTIC), ISSN 2525-2224, 2017.

CHƢƠNG 2: ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU HỆ THỐNG OFDM

TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC

2.1. Giới thiệu chƣơng

Trong hệ thống thông tin số nói chung, các ký tự đã đƣợc mã hoá trải qua quá trình

điều chế và đƣợc truyền trên các kênh hay bị ảnh hƣởng bởi xuyên nhiễu. Ở phía thu,

thông thƣờng bộ giải điều chế xem nhƣ đã biết tần số sóng mang và đa số các bộ giải mã

đã biết thời khoảng của ký tự. Bởi vì quá trình xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số

sóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác. Do đó, cần phải ƣớc lƣợng và

đồng bộ chúng. Nhƣ vậy, ở phía thu phải giải quyết sự đồng bộ hoá. Đồng bộ là một

trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM. Một trong những hạn chế của hệ

thống OFDM là khả năng dễ bị ảnh hƣởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số

do mất tính trực giao của các sóng mang con.

Sự đồng bộ của hệ thống OFDM rất khác so với những hệ thống đơn sóng mang.

Hệ thống OFDM chia luồng dữ liệu vào một số lƣợng lớn sóng mang phụ. Mỗi sóng

mang phụ có tốc độ dữ liệu thấp. Mặt khác, bởi vì khoảng cách sóng mang phụ thông

thƣờng là phải nhỏ hơn nhiều so với tổng băng thông, sự đồng bộ tần số trở nên khó

khăn.

Có nhiều phƣơng pháp đồng bộ đƣợc sử dụng trong hệ thống OFDM nhƣ đồng bộ

tần số lấy mẫu, đồng bộ tần số sóng mang và đồng bộ thời gian (đồng bộ ký tự). Trong

đó phƣơng pháp đồng bộ thời gian đƣợc sử dụng rộng rãi do tính chất đơn giản và dễ

thực hiện.

2.2. Đồng bộ thời gian

2.2. . Khái niệm

Đồng bộ thời gian có nhiệm vụ là tìm ra điểm bắt đầu của chuỗi tín hiệu OFDM đƣợc phát

đi, bên cạnh đó cũng tìm ra ranh giới của các khung dữ liệu OFDM. Sau khi thực hiện đồng bộ,

ta sẽ tìm đƣợc tín hiệu có ích chính là tín hiệu OFDM ban đầu đƣợc phát qua kênh truyền. Từ đó

mới có thể ƣớc lƣợng kênh và khôi phục tín hiệu chính xác và hiệu quả.

Để thực hiện việc đồng bộ thời gian thì nhiệm vụ là tìm ra điểm bắt đầu của khung OFDM

đầu tiên, mà cách đơn giản nhất đó là sử dụng phép nhân tƣơng quan tín hiệu. Điểm có giá trị

tƣơng quan lớn nhất chính là điểm bắt đầu của GI của khung tín hiệu OFDM đầu tiên.

Hình 2.1. Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM

2.2.2. Một số phƣơng pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay

Theo tìm hiểu của tác giả thì hiện nay có một số phƣơng pháp đồng bộ thời gian rất

phổ biến và đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế. Các phƣơng pháp này đều dựa trên

symbol huấn luyện đƣợc chèn thêm vào đầu hoặc cuối của mỗi khung truyền dữ liệu.

a. Phƣơng pháp Schmidl

Phƣơng pháp Schmidl [8] sử dụng một symbol huấn luyện có hai nửa giống hệt

nhau, mỗi nửa có chiều dài bằng nửa mẫu OFDM symbol chƣa bao gồm khoảng bảo vệ

đƣợc đặt tại điểm bắt đầu của mỗi frame với cấu trúc nhƣ sau:

S=[ A, A] (2.1)

Hình 2.2. Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phƣơng pháp Schmidl

Để xác định điểm bắt đầu của khung, liên hợp phức của nửa đầu đƣợc nhân tƣơng

quan mẫu ở nửa còn lại. Để tính tƣơng quan, ta sử dụng hai cửa sổ trƣợt trên miền thời

gian W1 và W2 đều có chiều dài L bằng chiều dài nửa mẫu symbol huấn luyện. Do kích

thƣớc cửa sổ là mẫu nên hàm giá trị độ lệch sẽ có một vùng phẳng trong các

khoảng CP. Khoảng này không có ích trong việc ƣớc lƣợng độ lệch thời gian symbol. Do

đó, để khắc phục nhƣợc điểm này ta tính trung bình giá trị tƣơng quan trên độ dài một

khoảng CP nhƣ phƣơng trình:

(2.2)

với:

(2.3)

(2.4)

Ta có là tín hiệu thu đƣợc, n là điểm ứng với mẫu đầu tiên trong cửa sổ trƣợt 2L.

b. Phƣơng pháp Minn

Nhằm nâng cao độ chính xác cho phƣơng pháp Schmidl, symbol huấn luyện trong

phƣơng pháp Minn [9] đƣợc chia thành bốn khoảng với mẫu tín hiệu trên hai khoảng sau

(2.5)

là đảo của các giá trị trong hai khoảng đầu.

Hình 2.3. Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phương pháp Minn

(2.6)

(2.7)

Với , khi đó:

c. Phƣơng pháp Park

Mặc dù phƣơng pháp Minn khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của phƣơng pháp

Schmidl, tuy nhiên sai số trung bình bình phƣơng MSE vẫn khá lớn trong kênh bị nhiễu

ISI [20]. Do vậy, Park [19] đề xuất phƣơng pháp sử dụng symbol huấn luyện với cấu trúc

(2.8)

nhƣ sau:

Để xác định điểm bắt đầu OFDM symbol, phƣơng pháp này cơ bản đƣợc thực

hiện giống với phƣơng pháp Minn hay phƣơng pháp Schmidl, chỉ khác một điều cấu trúc

symbol huấn luyện S sẽ đƣợc chia thành bốn khoảng A, B, A*, B*, với A*, B* tƣơng ứng

là liên hợp phức của A, B, L= .

Khi đó, đƣợc xác định nhƣ sau:

(2.9)

(2.10)

d. Phƣơng pháp Seung

Dựa theo phƣơng pháp Park, cấu trúc symbol huấn luyện của phƣơng pháp đƣợc

(2.11)

thể hiện nhƣ dƣới đây, với B* là liên hợp phức của mẫu tín hiệu đối xứng với mẫu A.

(2.12)

Khi đó, ta có:

(2.13)

2.2.3. Nhận xét chung

Các phƣơng pháp đồng bộ thời gian dựa symbol huấn luyện ở trên đều cho kết quả

đồng bộ rất chính xác. Tuy nhiên, đặc điểm môi trƣờng thủy âm là băng thông hạn chế,

vì vậy các phƣơng pháp này không phù hợp với kênh truyền dƣới nƣớc bởi khi chèn

thêm symbol cấu trúc đặc biệt vào trƣớc frame khiến một phần băng thông hệ thống bị

chiếm dụng. Để khắc phục nhƣợc điểm này,tác giả đề xuất một thuật toán đồng bộ thời

gian hoàn toàn mới, thuật toán này chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để xác định điểm bắt

đầu của khung dữ liệu OFDM để đồng bộ. Chi tiết về thuật toán sẽ đƣợc trình bày trong

phần tiếp đây.

2.3.Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng khoảng bảo vệ GI

Hầu hết các phƣơng pháp đồng bộ thời gian thông thƣờng sử dụng chuỗi kí tự đặc

biệt biết trƣớc hoặc Header nhƣ phƣơng pháp của Schmidl [8], phƣơng pháp của Park và

Seung [19]. Các phƣơng pháp này dẫn đến sự thừa của băng thông để gửi các ký hiệu thí

điểm. Do đó, tác giả đề xuất một thuật toán đồng bộ hóa thời gian cho thông tin liên lạc

âm thanh dƣới nƣớc, sử dụng khoảng bảo vệ (GI) đƣợc lấy ra từ trong ký tự OFDM. Mục

đích chính của việc sử dụng GI là để chống lại nhiễu ISI.

Thông tin dƣới nƣớc (UWA) đang trở thành một trong những vấn đề đƣợc nhiều nhà

nghiên cứu quan tâm hiện nay [6,8]. Việc truyền tin dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do

tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) so với tốc độ truyền tín hiệu sóng vô tuyến

trong chân không (300,000km/s) nên băng thông truyền tín hiệu trong nƣớc là rất nhỏ chỉ

vài Khz đến vài chục Khz [9,10]. Ngoài ra do suy hao lớn và nhiễu mạnh do ảnh hƣởng

của nhiều yếu tố nhƣ môi trƣờng, sóng, gió và các phƣơng tiện giao thông đƣờng

thủy,…. nên khoảng cách truyền tin cũng bị hạn chế rất nhiều chỉ một vài km [11], [12].

Có nhiều kỹ thuật truyền tin đã đƣơc áp dụng cho truyền thông dƣới nƣớc nhƣ ASK,

FSK, QAM, đã đƣợc ứng dụng từ lâu nhƣng có bị hạn chế về tốc độ truyền tin do khả

năng điều chế nhiều mức kém. Một số công nghệ truyền tin mới đƣợc ứng dụng trong

truyền thông dƣới nƣớc nhƣ OFDM [17] đƣợc ứng dụng do khả năng sử dụng hiệu quả

băng tần và đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đƣờng tốt [23]. Tuy nhiên OFDM đặc

điểm là rất nhạy cảm với sai lệch tần số [24], do vậy nó cần đƣợc đồng bộ chính xác. Do

đặc điểm của truyền tín hiệu dƣới nƣớc là bị ảnh hƣởng rất mạnh của nhiễu và tính chất

không tuyến tính của bộ thu phát sóng âm nên băng tần truyền dẫn bị ảnh hƣởng rất

mạnh của lựa chọn tần số. Thêm vào đó do băng thông rất hạn chế nên cần hạn chế tối đa

các thông tin mào đầu dữ liệu. Vì vậy, luận án đề xuất một phƣơng pháp đồng bộ sử dụng

khoảng bảo vệ (GI) của tín hiệu OFDM để xác định điểm bắt đầu của dữ liệu. Ƣu điểm

của phƣơng pháp này là khả năng xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu trong

trƣờng hợp có nhiễu mạnh và loại trừ đƣợc ảnh hƣởng của nhiễu khi chƣa có tín hiệu

thực sự đƣợc truyền đi.

Trong truyền thông thủy âm, do đặc điểm sóng âm thanh là suy hao lớn ở tần số cao

nên để truyền đi xa thƣờng dùng tần số thấp khoảng vài chục Khz. Trong thực nghiệm sử

dụng tần số từ 12-15Khz. Ở tần số này việc điều chế tín hiệu có thể thực hiện trực tiếp ở

băng tần cơ sở mà không cần qua bƣớc nhân với sóng mang nhƣ các hệ thống OFDM sử

dụng sóng radio. Để có thể truyền đƣợc tín hiệu chỉ gồm các giá trị thực sau khi biến đổi

IFFT, kỹ thuật ánh xạ sắp xếp tín hiệu lên sóng mang đặc biệt đƣợc sử dụng.

2.3.1. Mô tả hệ thống

Trong môi trƣờng truyền thông tin dƣới nƣớc, thông thƣờng ngƣời ta sử dụng một

tần số sóng mang thấp khoảng vài chục kHz để tránh sự mất mát suy hao ở tần số cao.

Do vậy tín hiệu sẽ đƣợc thực hiện điều chế trực tiếp tại băng tần cơ sở (baseband) mà

không sử dụng điều chế IQ sau khi chuyển đổi từ số sang tƣơng tự (DAC) giống nhƣ

thực hiện trong hệ thống truyền thông tin vô tuyến OFDM. Trong phần này, luận án mô

tả một kỹ thuật sắp xếp (mapping) các sóng mang con, để tín hiệu truyền sau khi biến

đổi IFFT là một tín hiệu thực. Phần ảo của tín hiệu truyền sẽ bị triệt tiêu. Nhƣ vậy, chúng

ta có thể tránh đƣợc việc sử dụng bộ điều chế IQ. Sơ đồ của hệ thống truyền tin dƣới

nƣớc đƣợc thể hiện trong Hình 2.4.

Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống OFDM

Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:

(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song

(S/P)

(2): Khối điều chế M-QAM

(3): Khối để chèn không

(4): Biến đổi IFFT

(5): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM

(6): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

(7): Bộ biến đổi DAC

(8): Bộ biến đổi ADC

(9): Khối thuật toán đồng bộ thời gian

(10): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI

(11): Bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)

(12): Biến đổi FFT

(13): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

(14): Khối giải điều chế M-QAM

(15): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

Chuỗi bit đầu vào đƣợc đƣa qua khối S/P thành K tín hiệu ra song song, sau đó

đƣợc điều chế ở khối M-QAM ra K ký hiệu phức. Những ký hiệu này đƣợc thể hiện bởi :

, trong đó với N là độ dài FFT cũng là số sóng mang

của hệ thống OFDM.

Sau khi điều chế M-QAM, khối Zeros Insertion sẽ chèn ký tự “0” vào tín hiệu để đảm

bảo tín hiệu sẽ đƣợc truyền ở băng tần thiết kế cũng nhƣ chuyển đổi ký tự phức sang tín

hiệu thực và đƣa vào khối IFFT. Kỹ thuật sắp xếp đƣợc mô tả nhƣ sau:

Hình 2.5. Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM

Trong hệ thống sử dụng khoảng tần số từ đến và tần số

lấy mẫu . Sau khi áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang, tín hiệu S đƣợc biến

đổi sang miền thời gian nhờ khối IFFT, khi đó tín hiệu hoàn toàn là tín hiệu thực bởi

phần ảo đã bị triệt tiêu. Tiếp theo GI mẫu tín hiệu của S sẽ đƣợc copy và paste vào phần

đầu của tín hiệu OFDM để chống nhiễu liên ký tự (ISI). Sau đó, chúng sẽ đƣợc biến đổi

sang chuỗi tín hiệu nối tiếp nhờ khối P/S. Trƣớc khi đƣợc gửi đến transducer để truyền

trong môi trƣờng nƣớc, tín hiệu số đƣợc biến đổi sang tƣơng tự dƣới dạng sóng âm thanh

nhờ khối DAC. Ở phía bên thu tín hiệu sẽ đƣợc giải mã theo trình tự ngƣợc lại. Ở đây

chúng ta chú ý thấy trong Hình 2.4 có khác biệt so với các hệ thống OFDM thông

thƣờng ở chỗ có thêm một khối đƣợc gọi là khối đồng bộ thời gian. Trong khối này có

chứa thuật thoán đồng bộ thời gian mà luận án sẽ trình bày cụ thể ở phần tiếp dƣới đây.

Nhƣ chúng ta đa biết, hầu hết các phƣơng pháp đồng bộ thời gian thông thƣờng sử

dụng chuỗi kí tự đặc biệt biết trƣớc hoặc Header nhƣ phƣơng pháp của Schmidl [20],

phƣơng pháp của Park và Seung [21]. Các phƣơng pháp này sử dụng các chuỗi ký tự đặc

biệt nên ảnh hƣởng đến hiệu suất sử dụng băng thông. Do đó, luận án đề xuất một thuật

toán đồng bộ thời gian cho thông tin liên lạc âm thanh dƣới nƣớc, sử dụng khoảng bảo vệ

(GI) đƣợc lấy ra từ trong ký tự OFDM. Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chống

lại nhiễu ISI.

Thuật toán đồng bộ đƣợc đề xuất đƣợc mô tả nhƣ sau: cho là một tín hiệu

truyền qua kênh . Sau đó, tín hiệu thu đƣợc có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

(2.14)

Trong đó là nhiễu.

Vị trí bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM đƣợc phát hiện bằng cách tìm kiếm vị trí của

khoảng bảo vệ. Thuật toán đề xuất để tìm kiếm GI dựa trên tiêu chí MSE đƣợc mô tả nhƣ

Hình 2.6. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI

Nội dung của lƣu đồ thuật toán đƣợc diễn giải nhƣ sau:

Bƣớc : Tính tổng chênh lệch biên độ giữa tín hiệu thu đƣợc và nhƣ

(2.15)

Với là chỉ số của mỗi kí tự OFDM, là độ dài chuỗi bảo vệ GI, là độ dài

của tín hiệu và là độ dài FFT.

Bƣớc 2: Tính toán hàm nhƣ sau:

(2.16)

Với :

Bƣớc 3: Nhân tín hiệu và nhƣ sau:

(2.17)

Bƣớc 4: Ma trận thời gian đƣợc xác định bằng cách nhân với

nhƣ sau:

(2.18)

Bƣớc 5: Chuẩn hóa ma trận thời gian :

(2.19)

Với .

2.3.2. Kết quả thực nghiệm

Hệ thống đƣợc thực nghiệm tại Hồ Tiền- Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Hệ thống

đƣợc thiết lập với khoảng cách giữa bên phát và thu là 60m với độ sâu là 1m. Các tham

số của hệ thống đƣợc cho nhƣ bảng sau:

Bảng 2. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng thuật toán đồng bộ thời gian

Thông số Giá trị

Hệ thống SISO 1phát-1 thu

Tần số lấy mẫu 96kHz

Băng thông 12-15Khz

Độ dài FFT 4096

Độ dài khoảng bảo vệ GI 1024

Kiểu điều chế QPSK

Độ dài OFDM 51.21 ms

Khoảng cách giữa các sóng mang con 23.4375Hz

Ở đây transducer và hydrophone đƣợc sử dùng kèm mạch khuếch đại và máy

tính có card âm thanh để xử lý tín hiệu. Các kết quả thu đƣợc sẽ đƣợc xử lý bằng

phần mềm tại phòng WICOM Lab.

Hình 2.7. Hệ thống OFDM thực nghiệm

Hình 2.8. Tín hiệu OFDM thu được trên hệ thống tại Hồ Tiền

Kiểm tra hàm mật độ xác suất của biên độ tín hiệu tín hiệu thủy âm thu đƣợc ta thấy

nó có dạng chuẩn của phân bố Rayleigh.

Hình 2.9. Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu được

Để kiểm tra kết quả của phƣơng pháp này, ta sẽ đi so sánh với kết quả khi sử dụng

phƣơng pháp Schmidl đối với hệ thống thử nghiệm trên Hồ Tiền. Kết quả so sánh tại

Hình 2.10 cho thấy tín hiệu của phƣơng pháp mà luận án trình bày có sự ổn định hơn so

với phƣơng pháp Schmidl.

Hình 2.10. So sánh độ ổn định tín hiệu giữa 2 đỉnh đồng bộ gần nhất

Tiếp theo ta so sánh tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hai phƣơng pháp:

Hình 2.11. So sánh SNR giữa hai phương pháp

Cuối cùng là mô hình chòm sao tín hiệu thu đƣợc. Qua đó, ta thấy phân bố của các

điểm xung quanh chòm sao rất nhỏ và tập trung nên biên độ và pha của tín hiệu thu đƣợc

sẽ cho kết quả tốt hơn so với phƣơng pháp Schmidl.

Schmidl’s method Proposed method

Hình 2.12. Chòm sao tín hiệu thu được sau giải mã của 2 phương pháp

2.4. Kết luận chƣơng

Đồng bộ thời gian trong hệ thống OFDM là vô cùng quan trọng quyết định đến

hiệu suất của hệ thống OFDM. Các thuật toán đồng bộ thời gian chủ yếu sử dụng chuỗi

symbol huấn luyện cho kết quả đồng bộ tốt nhƣng lại lãng phí băng thông và giảm tốc độ

truyền dữ liệu. Phƣơng pháp do luận án trình bày đã giải quyết tốt vấn đề hiệu quả sử

dụng băng thông, do chỉ sử dụng chuỗi GI để đồng bộ, đồng thời các kết quả thực

nghiệm đã chứng minh phƣơng pháp do tác giả đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với các

phƣơng pháp hiện nay.

Kết quả của chƣơng này đã đƣợc công bố trong bài báo sau:

C1. Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen, Viet Ha Do and Van Duc Nguyen (Hanoi

Unversity of Science and Technology, Vietnam) A Time Synchronization Method for

OFDM-Based Underwater Acoustic Communication Systems, In 2016 International

Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp131-134, 2016.

CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO

HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC

3.1. Giới thiệu chƣơng

Việc truyền tin dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm

(1,5km/s) nên với sự chuyển động tƣơng đối chậm giữa bên phát và thu cũng gây ra

lƣợng dịch tần Doppler lớn ảnh hƣởng đến tín hiệu OFDM. Trƣớc tiên ta cần nghiên cứu

về hiện tƣợng Doppler cho hệ thống OFDM.

3.2. Đặc điểm của hiện tƣợng Doppler

Hiện tƣợng Doppler không ảnh hƣởng nhiều tới hiện tƣợng co giãn thời gian, ví

dụ với vận tốc 1 m/s gây ra độ dịch tần bằng 15 Hz nhƣng chỉ gây ra sai lệch 1 mẫu cho

mỗi một ký tự OFDM. Một phƣơng pháp bù dịch tần Doppler mới bao gồm hai giai đoạn

mà không cần phải lấy mẫu tín hiệu lại. Giai đoạn đầu là quá trình xoay ngƣợc pha trƣớc

khi thực hiện điều chế FFT để bù dịch tần thông thƣờng. Giai đoạn hai là quá trình bù

dịch tần Doppler trƣớc khi ƣớc lƣợng kênh bằng cách sử dụng một ma trận ICI. Để tăng

độ chính xác khi ƣớc lƣợng độ dịch tần, hệ thống mới sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng

liên tục kết hợp với việc giám sát sự biến đổi theo thời gian của hàm phân bố công suất

trễ (PDP).

3.2.1. Mô hình tín hiệu

Phần này sẽ trình bày hai yếu tố ảnh hƣởng tới dịch tần Doppler trong miền tần số.

Tín hiệu truyền đi của một ký tự OFDM có thể đƣợc viết dƣới dạng:

(3.1)

Tổng cộng có (2N + 1) sóng mang phụ đƣợc sử dụng để truyền tải dữ liệu, fc và f0

lần lƣợt là tần số sóng mang và khoảng cách tần số giữa các sóng mang phụ. Cn biểu diễn

dữ liệu trên sóng mang phụ thứ n. Giả thiết rằng có tất cả L đƣờng truyền, mỗi đƣờng

truyền có độ lợi là và độ trễ là . Độ dịch tần Doppler cho tất cả các đƣờng truyền

đều nhƣ nhau và bằng . Do đó, tín hiệu thông dải thu đƣợc là:

(3.2)

với:

Ở đây, v(t) là vận tốc tƣơng đối giữa máy phát và máy thu.

Trong miền thời gian, hiệu ứng Doppler gây méo các mẫu tín hiệu, hiện tƣợng này

đƣợc gọi là co giãn thời gian. Một ý tƣởng đơn giản là lấy mẫu lại những tín hiệu bị méo

để khắc phục hiệu ứng Doppler. Khác với các phƣơng pháp này, trong hệ thống đề xuất

sử dụng phƣơng pháp khắc phục hiệu ứng Doppler trong miền tần số.

Sau khi hạ tần, chúng ta thu đƣợc:

Trong đó:

(3.3)

(Hz).

Đầu tiên, tất cả các sóng mang phụ đều chịu độ dịch tần thông thƣờng

Thứ hai, mỗi sóng mang phụ chịu độ dịch tần khác nhau là (Hz), tùy thuộc vào vị

trí của các sóng mang phụ. Đây đƣợc gọi là hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí hay

còn gọi là dịch tần Doppler không đồng nhất. Hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí gây

ảnh hƣởng nghiêm trọng tới các quá trình điều chế bậc cao nhƣ 16-QAM hay 64-QAM.

Trong trƣờng hợp mô phỏng hệ thống, khi vận tốc di chuyển tƣơng đối là 1 (m/s) sẽ gây

ra độ dịch tần thông thƣờng là 16 (Hz), bằng 16% khoảng cách giữa các sóng mang phụ.

chịu độ dịch tần

Thêm vào đó, các sóng mang phụ ở phía biên tƣơng ứng với

Doppler không đồng nhất là (Hz), tƣơng đƣơng với 2.5% khoảng cách giữa các

sóng mang phụ. Sóng mang phụ trung tâm ứng với giá trị n = 0 sẽ không chịu ảnh hƣởng

của kiểu dịch tần này. Do đó hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vị trí nói trên cần phải đƣợc

xem xét kỹ lƣỡng.

3.2.2. Đồng bộ thô tần số

Do điều kiện môi trƣờng rất phức tạp bao gồm độ dịch tần Doppler cao, độ trải trễ

rộng, nhiễu từ môi trƣờng đa dạng, trong hệ thống đề xuất ở đây sử dụng một tín hiệu

mào đầu bao gồm 3 ký tự OFDM để đồng bộ thô thời gian và tần số. Hai ký tự X1 và X2

đƣợc sử dụng để xác định điểm bắt đầu của mỗi khung dữ liệu. Hai cửa sổ trƣợt đƣợc sử

dụng để tính độ tƣơng quan giữa X1 và X2 ở phía thu.

Hình 3.1. Cấu trúc khung dữ liệu

Tiếp đến, tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) của ký tự X1 đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng

thành phần phân số của độ dịch tần. Các ký tự X2 và X3 đƣợc sử dụng ƣớc lƣợng thành

phần giá trị nguyên của độ dịch tần, giá trị này có thể gấp một vài lần khoảng cách giữa

các sóng mang phụ. Ở đây dữ liệu đƣợc chèn vào tất cả các sóng mang phụ thay vì chỉ

một số sóng mang phụ. Tóm lại ý tƣởng ở đây là thực hiện điều chế pha vi phân sử dụng

hai ký tự X2 và X3 nhƣ sau:

(3.4)

Ở phía máy thu, chúng ta đƣợc:

(3.5)

Sau khi bù một phần độ dịch tần, một tham số đƣợc dùng để ƣớc lƣợng phần

nguyên của độ dịch tần, nó đƣợc tính nhƣ sau:

(3.6)

3.2.3. Kiểm soát bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đƣờng liên tục kết hợp

giám sát công suất trễ

Sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục rất thuận tiện trong quá trình giám sát độ

dịch tần theo thời gian, tuy nhiên độ dịch tần cực đại có thể đƣợc ƣớc lƣợng bằng

. Để tăng khả năng ƣớc lƣợng độ dịch tần, hệ thống đề xuất có khả năng theo dõi sự biến

đổi của phổ công suất trễ PDP (Power Delay Profile) theo thời gian. Thêm vào đó, độ

chính xác của quá trình ƣớc lƣợng tần số bằng việc sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên

tục trở nên kém hiệu quả, bởi các tín hiệu dẫn đƣờng này bị gián đoạn nghiêm trọng bởi

nhiễu liên kênh ICI. Do vậy việc ƣớc lƣợng thô độ dịch tần trƣớc khi sử dụng các tín hiệu

dẫn đƣờng liên tục là rất quan trọng.

Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đƣờng liên tục

Các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục đƣợc chèn vào cùng các dữ liệu thực đƣợc minh

họa nhƣ trên Hình 3.2. Về cơ bản, sai pha giữa hai tín hiệu dẫn đƣờng cho biết độ dịch

tần, biểu thị qua các công thức sau:

(3.7)

(3.8)

Ở đây, H(m, n) là hàm truyền đạt ƣớc lƣợng của kênh cho sóng mang phụ thứ m

và cho ký tự thứ n, TGI là chiều dài khoảng bảo vệ.

Hình 3.3. Hiện tƣợng dịch chuyển phổ công suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian

Do có sự co giãn thời gian gây bởi hiện tƣợng Doppler, phổ công suất trễ PDP

quan sát đƣợc sẽ bị dịch chuyển theo thời gian khi sử dụng một cửa sổ FFT cố định. Hiện

tƣợng này đƣợc mô tả nhƣ trên Hình 3.3. Độ dịch chuyển của PDP theo thời gian chỉ ra

sự co giãn thời gian và độ dịch tần tƣơng ứng gây bởi hiện tƣợng Doppler:

(3.9)

Ở đây, Tsb là chiều dài của ký tự OFDM bao gồm cả khoảng bảo vệ, fc là tần số

sóng mang. Sau khi bù thành phần tần số bằng cách xoay ngƣợc pha, độ dịch tần còn

lại đƣợc ƣớc lƣợng bằng cách sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục nhƣ đã trình bày

trƣớc đó.

3.2.4. Bù dịch tần Doppler

Trong mục này, hai giai đoạn bù dịch tần Doppler không cần lấy mẫu lại sẽ đƣợc

trình bày. Đầu tiên, hệ thống thực hiện xoay ngƣợc pha trƣớc khi thực hiện giải điều chế

FFT để bù thành phần xoay pha/tần số thông thƣờng. Sau đó tín hiệu thu đƣợc nhƣ sau:

(3.10)

(3.11)

Sau khi giải điều chế FFT, tín hiệu thu đƣợc ở sóng mang phụ thứ k:

(3.12)

I(k, l) biểu diễn nhiễu liên sóng mang từ sóng mang phụ thứ l tới sóng mang phụ

thứ k. Cần chú ý rằng I(k, l) không chỉ phụ thuộc vào tốc độ Doppler và khoảng cách (l

– k) giữa hai sóng mang phụ, mà còn phụ thuộc vào vị trí của sóng mang thụ thứ l. Nói

cách khác, các sóng mang phụ ở phần biên sẽ chịu ảnh hƣởng của nhiễu liên sóng mang

ICI nhiều hơn so với các sóng mang phụ ở phần trung tâm. Do đó giai đoạn thứ hai là bù

dịch tần dựa theo vị trí các sóng mang bằng cách sử dụng ma trận ICI [28]. Giả thiết rằng

trên tất cả các đƣờng truyền đều có chung một độ dịch tần Doppler, điều này dẫn tới một

kết quả khá thú vị là ảnh hƣởng không đồng nhất của dịch tần Doppler và fading lựa

chọn tần số là phân biệt nhƣ đƣợc chỉ ra trong biểu thức ma trận bên dƣới.

(3.13)

Bởi đƣờng chéo chính của I lớn hơn nhiều các đƣờng chéo khác và giá trị tuyệt

đối của các thành phần trong I(k, l) suy giảm nhanh chóng khi rời xa đƣờng chéo chính,

do đó sẽ có nhiều cách khác nhau để tránh việc phải tìm ma trận nghịch đảo của I, ví dụ

nhƣ phƣơng pháp lặp Jacobi.

3.3. Đề xuất phƣơng pháp bù dịch tần Doppler dựa trên chuỗi tín hiệu hình sin

Thông tin dƣới nƣớc đang trở thành một trong những vấn đề đƣợc nhiều nhà

nghiên cứu quan tâm hiện nay. Việc truyền tin dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do tốc độ

truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tƣơng đối chậm giữa bên

phát và thu cũng gây ra lƣợng dịch tần Doppler lớn ảnh hƣởng đến tín hiệu OFDM. Có

nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dƣới nƣớc sử dụng công nghệ

OFDM nhƣ [35].

Đặc điểm của các phƣơng pháp [27] là việc tính toán độ dịch tần số Doppler

thƣờng đƣợc thực hiện sau khi đồng bộ. Thực tế trong trƣờng hợp độ dịch tần Doppler

lớn, kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín hiệu phát

nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệu thƣờng không chính xác.

Tƣơng tự nhƣ các phƣơng pháp [27,35], để tính độ dịch tần Doppler, trong luận án đề

xuất gắn thêm một tín hiệu sóng mang hình sin vào đuôi của mỗi khung tín hiệu truyền

đi. Ƣu điểm của việc gắn tín hiệu sin vào đuôi khung so với các phƣơng pháp [25] là độ

dài tín hiệu gắn vào ngắn hơn do đó tiết kiệm đƣợc băng thông. Ngoài ra việc xử lý tín

hiệu hình sin cũng đơn giản và đem lại độ chính xác cao hơn trong việc tính toán độ lệch

tần Doppler. Phƣơng pháp đƣợc đề xuất ở đây cũng khác với các phƣơng pháp trƣớc đây

là việc tính toán độ lệch tần Doppler đƣợc thực hiện trƣớc khi đồng bộ tín hiệu. Do đó

không cần đòi hỏi phải xác định chính xác điểm bắt đầu của các khung dữ liệu. Ngoài ra

việc sử dụng phƣơng pháp này có khả năng xác định một cách gần chính xác độ lệch tần

số Doppler của tín hiệu thu ngay từ bƣớc đồng bộ thô do vậy ở bƣớc đồng bộ tinh việc

điều chỉnh tín hiệu dựa trên tính sai lệch góc pha của tín hiệu Pilot của các symbol và ở

bƣớc cuối cùng chỉ cẩn sử dụng thuật toán xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh chính xác

chòm sao tín hiệu thu trong trƣờng hợp vẫn chƣa điều chỉnh hết độ lệch tần số. Thêm vào

đó việc sử dụng sóng hình sin để xác định tần số Doppler cho phép áp dụng đƣợc với hệ

thống có tốc độ chuyển động tƣơng đối nhanh giữa phát và thu. Việc sử dụng chuỗi tín

hiệu sin có độ dài ngắn cho phép tiết kiệm băng thông hơn so với việc gắn thêm các

chuỗi tín hiệu mào đầu khung trong [21]. Trong thực nghiệm, có thể thu đƣợc tín hiệu ở

tốc độ lớn hơn 2m/s và thực tế có thể cao hơn nhƣng do điều kiện về trang thiết bị thí

nghiệm và điều kiện khách quan nên nhóm đề tài chƣa thực hiện đƣợc.

3.3.1. Mô tả hệ thống

Trong môi trƣờng truyền thông tin UWA, thông thƣờng ngƣời ta sử dụng một tần số sóng

mang thấp khoảng vài chục kHz để tránh sự mất mát suy hao ở tần số cao. Do vậy tín

hiệu sẽ đƣợc thực hiện điều chế trực tiếp tại băng tần cơ sở (baseband) mà không sử dụng

điều chế IQ sau khi chuyển đổi từ số sang tƣơng tự (DAC) giống nhƣ thực hiện trong hệ

thống truyền thông tin vô tuyến OFDM. Trong phần này, một kỹ thuật sắp xếp (mapping)

các sóng mang con, để tín hiệu truyền sau khi biến đổi IFFT là một tín hiệu thực. Phần

ảo của tín hiệu truyền sẽ bị triệt tiêu. Nhƣ vậy, chúng ta có thể tránh đƣợc việc sử dụng

bộ điều chế IQ.

Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống thu – phát

Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:

(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song

(S/P)

(2): Khối điều chế M-QAM

(3): Khối chèn zeros

(4): Khối biến đổi IFFT

(5): Khối chèn khoảng bảo vệ GI

(6): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

(7): Bộ biến đổi DAC.

(8): Bộ biến đổi ADC.

(9): Bộ lọc thông dải

(10): Khối tính toán độ lệch tần Doppler ( Đồng bộ thô)

(11): Khối lấy mẫu lại tần số

(12): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM

(13): Khối biến đổi FFT

(14): Khối cân bằng

(15): Khối ƣớc lƣợng kênh.

(16): Giải điều chế M-QAM.

a. Hệ thống phát:

Sơ đồ của hệ thống phát đƣợc cho trên Hình 3.4. Tín hiệu nhị phân đầu vào đƣợc chia

thành K dòng dữ liệu song song. K chính là số sóng mang dữ liệu của tín hiệu OFDM.

Sau đó dòng bít sẽ đƣợc đƣa đến khối điều chế M-QAM. Đầu ra khối M-QAM là vector

tín hiệu: trong đó: , với N là tổng số sóng mang của hệ

thống OFDM.

Tiếp đó vector tín hiệu đƣợc đƣa qua khối chèn không (Zeros Insertion) để đặt tín

hiệu này lên đúng tần số sóng mang muốn truyền đi. Do việc điều chế M-QAM và biến

đối IFFT tạo ra tín hiệu phức nên tác giả sử dụng một kỹ thuật sắp xếp tín hiệu đặc biệt

để sau khi biến đổi IFFT thì đầu ra chỉ gồm các giá trị thực. Việc sắp xếp tín hiệu lên

các sóng mang trong hệ thống OFDM đƣợc thực hiện nhƣ Hình 3.5.

Hình 3.5. Kỹ thuật sắp xếp dữ liệu lên các sóng mang con cho hệ thống OFDM

Cụ thể, tác giả đã thực hiện truyền tín hiệu trong khoảng: đến

, với tần số lấy mẫu . Việc áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang

nhƣ trên Hình 3.5 cho phép tín hiệu đầu ra khối IFFT chỉ gồm toàn các giá trị thực:

trong đó: và là điểm bắt đầu và kết thúc của sóng mang

dữ liệu tại vị trí tƣơng ứng của và .

Sau khi sắp xếp các sóng mang, tín hiệu S đƣợc biểu diễn trong miền thời gian đƣợc

đƣa đến khối IFFT. Tín hiệu này sẽ đƣợc đƣa qua khối chèn khoảng bảo vệ (GI Insertion)

để chống nhiễu liên ký tự (ISI) rồi qua khối biến đổi song song thành nối tiếp (P/S) và đi

vào bộ biến đổi số sang tƣơng tự (DAC) để truyền đi qua transducer phát dƣới dạng sóng

âm.

Nhằm đảm bảo bên thu có thể xác định đƣợc độ dịch tần Doppler sinh ra do có sự

chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và bên thu, tác giả thiết kế khung truyền dẫn tín

hiệu có gắn thêm một chuỗi tín hiệu hình sin vào đuôi của mỗi khung truyền nhƣ sau:

Hình 3.6. Khung tín hiệu phát

Việc gắn chuỗi tín hiệu hình sin vào cuối của mỗi khung dữ liệu để đảm bảo nó không

gây ra nhiễu ISI tới tín hiệu OFDM. Độ dài của mỗi chuỗi tín hiệu sóng sin tƣơng đƣơng

với 3 OFDM symbol. Độ dài chuỗi sin gắn vào nhƣ vậy đủ để đảm bảo có thể phát hiện

tƣơng đối chính xác độ dịch tần Doppler chứ không đƣợc quá dài sẽ gây lãng phí băng

thông của hệ thống. Nhƣ vậy nếu với độ dài mỗi khung gồm 40 tín hiệu OFDM thì phần

tín hiệu sin gắn thêm vào chiếm khoảng 8% dung lƣợng của hệ thống.

b. Hệ thống thu:

Tại phía thu, quá trình đồng bộ đƣợc thực hiện qua hai bƣớc, đồng bộ thô và đồng bộ

tinh. Ở bƣớc đồng bộ thô, việc tính toán độ lệch tần số Doppler sẽ dựa trên chuỗi tín hiệu

sin đƣợc gắn vào cuối mỗi khung truyền. Ở bƣớc này, việc tính toán độ chính xác độ lệch

tần số Doppler phụ thuộc vào độ dài chuỗi tín hiệu hình sin. Nhƣ đã nói ở trên, nếu độ

dài chuỗi tín hiệu sin quá lớn sẽ ảnh hƣởng tới băng thông của hệ thống nên trong thực

nghiệm sử dụng chuỗi sin có độ dài tƣơng đƣơng với độ dài của 3 tín hiệu OFDM. Do

vậy việc tính toán độ lệch tần Doppler chỉ tƣơng đối ở bƣớc đồng bộ này. Việc điều

chỉnh chính xác độ lệch tần sẽ đƣợc thực hiện trong bƣớc đồng bộ tinh.

Bƣớc : Đồng bộ thô

Trƣớc tiên các khung sẽ đƣợc tách ra dựa trên khoảng trắng giữa các khung. Bên

thu sẽ tính tần số thu đƣợc tƣơng ứng với sóng mang dựa trên tín hiệu sin phát đi đƣợc

gắn vào cuối mỗi khung. Khi đó tần số sóng mang tại máy thu dựa trên chuỗi tín hiệu sin

(3.14)

đƣợc tính theo công thức (3.14) nhƣ sau:

Trong đó (Zeros Cross) là số lần cắt không của tín hiệu thu đƣợc. Độ lệch tần

(3.15)

số lấy mẫu cần điều chỉnh đƣợc tính bởi công thức (3.15):

Trong đó Fc là tần số sóng mang bên phát phát đi và [.] là phép làm tròn số.

Tuy nhiên để có thể lấy mẫu trở lại tín hiệu thì giá trị này cần phải đƣợc làm tròn

số ở đây tác giả sử dụng hàm nội suy và lấy mẫu lại của Matlab. Sai lệch do tính không

chính xác tần số Doppler và do quá trình làm tròn số cùng với sai lệch do ảnh hƣởng của

quá trình truyền gây ra do môi trƣờng và các dao động do sóng mặt nƣớc gây ra sẽ đƣợc

bù lại trong phần đồng bộ tinh thông qua ƣớc lƣợng kênh truyền.

Tiếp theo đó tín hiệu thu sẽ đƣợc tái lấy mẫu lại theo tần số lấy mẫu mới bằng :

(3.16)

Sau khi đƣợc lấy mẫu lại tín hiệu thu đƣợc: yr(n) = Resample [y(n)], tín hiệu yr(n)

sẽ đƣợc đƣa qua khối tìm đồng bộ tinh để xác định điểm bắt đầu của khung tín hiệu.

Phƣơng pháp xác định điểm đầu của OFDM symbol

Để xác định điểm bắt đầu của OFDM symbol, đầu tiên ta sẽ tính toán sai lệch lớn

nhất hai mẫu tín hiệu nằm trong hai cửa sổ nhƣ phƣơng trình dƣới đây:

(3.17)

(3.18)

Trong đó:

+ GI = NG – 1 là chiều dài khoảng bảo vệ

+ K = NS + NG – 2 = 2*NFFT + GI + 1

Tiếp đến tìm tập giá trị tƣơng quan của liên hợp phức của mẫu trong cửa sổ W2

(3.19)

với mẫu tín hiệu cửa sổ W1.

Để tăng khả năng xác định chính xác điểm bắt đầu OFDM symbol, giá trị các đỉnh

tƣơng quan cần đƣợc tách biệt rõ ràng, muốn thế ta nhân hai phƣơng trình trên với nhau,

kết quả chuẩn hóa đƣợc thể hiện nhƣ phƣơng trình dƣới đây:

( 3.20)

Bƣớc 2: Xoay pha tín hiệu

Việc hiệu chỉnh tần số Doppler cần phải làm tròn số để thực hiện tái lầy mẫu lại

tín hiệu cộng thêm với cả sai số do tính toán và ảnh hƣởng của môi trƣờng nên vẫn còn

tồn tại sự khác biệt giữa tần số tín hiệu thu và phát. Điều này sẽ khiến cho chòm sao của

tín hiệu thu đƣợc bị xoay đi một góc nhƣ Hình 3.7.

Hình 3.7. (a). Chòm sao tín hiệu thu (b).Chòm sao xoay lại bằng thuật toán xoay pha

Để điều chỉnh độ lệch pha này tác giả sử dụng một thuật toán xoay pha đơn giản

nhƣ sau. Mặt phẳng chòm sao đƣợc chia thành bốn góc phần tƣ nhƣ Hình 3.7(a). Tại mỗi

góc phần tƣ, ta sẽ tính tổng trung bình góc pha của mỗi tín hiệu thu đƣợc nằm trong góc

phần tƣ đó. Đối với tín hiệu nằm trong góc phần tƣ thứ nhất thì giá trị góc pha sẽ nằm

trong khoảng từ 0 đến . Tín hiệu nằm trong các góc phần tƣ còn lại sẽ đƣợc cộng lấy

trung bình sau đó quy chuẩn về góc phần tƣ thứ nhất bằng cách trừ đi góc pha tƣơng ứng

lần lƣợt là cho các góc phần tƣ thứ 2, 3 và 4. Cuối cùng ta sẽ tính tổng trung

bình góc pha của cả bốn góc phần tƣ làm góc quay pha. Tín hiệu sau khi quay pha nhƣ ở

Hình 3.7(b).

3.3.2. Kết quả thực nghiệm

Việc thực nghiệm đƣợc thực hiện tại Hồ Tiền Đại học Bách Khoa Hà Nội với khoảng

cách tối đa là 60m và độ sâu 2m. Để thực hiện thí nghiệm với hiệu ứng doppler với một

Transducer phát và một Transducer thu, tác giả luận án để thiết bị thu tín hiệu OFDM ở

một điểm cố định trên hồ. Máy phát đƣợc đặt trên một chiếc thuyền nhỏ và đƣợc kéo

bằng dây từ ở hai phía theo góc thẳng với hƣớng sóng tới của máy thu.

Hình 3.8. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống trên Hồ Tiền

Sau đó, kết quả sẽ đƣợc xử lý bằng các phần mềm đƣợc phát triển bởi phòng thí

nghiệm truyền thông không dây (WICOM) của Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các

thông số hệ thống OFDM đƣợc cho trong bảng sau:

Bảng 3. Các thông số của hệ thống UWA sử dụng chuỗi hình sin

Thông số Giá trị

1 Transducer phát – 1 Transducer thu SISO

Tần số lấy mẫu 96 kHz

Băng thông 12-15kHz

Độ dài FFT 2048

Độ dài khoảng bảo vệ (GI) 1024

Phƣơng pháp điều chế QPSK

Chiều dài của OFDM symbol (ms) 32

Khoảng cách giữa các sóng mang OFDM (Hz) 46.865

Số OFDM symbol trên một khung ( ) 40

Chiều dài khung ( ) (ms) 1280

Độ dài chuỗi sin (ms) 200

Khoảng trống giữa các khung (ms) 200

Tín hiệu phát là các khung truyền liên tiếp cách nhau khoảng 0.2s. Với tốc độ lớn

hơn 2m/s độ dịch tần Doppler khoảng 35Hz lớn hơn 70% độ rộng một sóng mang con

của tín hiệu OFDM là 46Hz.

Hình 3.9. Tín hiệu OFDM có gắn chuỗi hình sin

Tốc độ chuyển động trong thí nghiệm đạt 2m/s. Chòm sao tín hiệu nhƣ Hình 3.12.

Tỷ lệ lỗi symbol: SER = 0.115 đạt đƣợc khi chƣa áp dụng các kỹ thuật sửa lỗi.

3.3.3. Giao diện hệ thống

Bên phát:

Hình 3. 10. Giao diện bên phát

-Nhóm các chỉ số (index): Nhóm này chỉ ra các thông số hệ thống bao gồm số mức

điều chế (Modulating_lever), số các sóng mang phụ chứa dữ liệu (No_datasubs),

chiều dài khoảng bảo vệ (Guard), chiều dài phép biến đổi IFFT (IFFT) và cuối

cùng là dải tần số sử dụng trong hệ thống (Band (Hz)). Các giá trị ứng với các

thông số trên có thể thay đổi đƣợc theo mong muốn ngƣời sử dụng.

-Nhóm hiển thị file text (Content of File): Hiện thị nội dung file text lên màn hình.

-Nhóm Signal: Hiển thị kết quả tín hiệu phát đi trên miền tần gian và phổ tín hiệu đó.

-Nhóm Button: Khi nhấn nút “Load” nội dung file text sẽ đƣợc hiển thị lên màn hình

nhóm Content of File. Nút “Transfer” sẽ thực hiện điều chế tín hiệu OFDM và sau

đó phát tín hiệu đi thông qua card âm thanh của laptop. Khi muốn xóa tất cả các

tiến trình đang thực hiện ta nhấn nút “Reset”.

Bên thu:

Hình 3.11. Giao diện bên thu

Giống nhƣ giao diện bên phát, bên thu cũng đƣợc chia thành các nhóm sau:

-Button Group: Hiện thị đƣợc dải tần số sử dụng, và chứa các nút chức năng

“Receiver” nhận dữ liệu từ phía phát để thực hiện giải điều chế tín hiệu OFDM và

nút “Reset” khởi tạo lại chƣơng trình.

-Content of File: Hiển thị file text sau khi đã đƣợc giải mã OFDM.

-Nhóm Signal: Hiển thị dạng tín hiệu nhận đƣợc thu đƣợc (hình trên cùng), và dạng

tín hiệu đồng bộ đƣợc hiển thị (hình bên dƣới).

-Nhóm Modulating Stars: hiện thị chòm sao OFDM thu đƣợc.

3.3.4. Kết quả thu đƣợc

Hình 3.12. Chòm sao tín hiệu thu sau khi xoay pha

Từ các kết quả thu đƣợc có thể thấy thuật toán đồng bộ đề xuất cho khả năng nhận

diện điểm bắt đầu của tín hiệu OFDM rất tốt.

3.3.5. Nhận xét

Phƣơng pháp truyền thông dƣới nƣớc sử dụng kỹ thuật OFDM có gắn sóng mang

bằng cách gắn thêm một chuỗi tín hiệu hình sin vào cuối của mỗi khung tín hiệu OFDM

mà luận án đề xuất có ƣu điểm là có khả năng thích nghi đƣợc với sự thay đổi tốc độ lớn

và liên tục trong khoảng thời gian ngắn. Kết quả thử nghiệm chỉ dừng lại trong khuôn

viên của trƣờng đại học nên tốc độ trong thử nghiệm có hạn chế là 2m/s. Nhƣợc điểm

của việc sử dụng sóng mang gắn thêm vào cuối của khung dữ liệu là làm giảm băng

thông của hệ thống nhƣng so với các phƣơng pháp khác thì độ dài tín hiệu c gắn thêm

vào cũng không lớn hơn mà nó lại cho phép hệ thống có thể di chuyển với tốc độ nhanh

hơn và có thể áp dụng với các khung có chiều dài ngắn hơn.

3.4. Phƣơng pháp bù dịch tần Doppler sử dụng tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng

(Carrier Frequency Pilot- CFP)

3.4.1. Đặt vấn đề

Trong chƣơng này, luận án đề xuất một phƣơng pháp mới để bù sự thay đổi tần số

Doppler cho các hệ thống truyền thông âm thanh dƣới nƣớc dựa trên OFDM. Để tiết

kiệm băng thông, phƣơng pháp này không sử dụng thêm tín hiệu mào đầu (preamble)

trong mỗi khung OFDM nhƣ đƣợc đề xuất trong nhiều phƣơng pháp thông thƣờng. Thay

vào đó, sóng mang phụ trung tâm đƣợc sử dụng dành riêng cho truyền dẫn pilot. Tín hiệu

này đƣợc gọi là tần số sóng mang dẫn đƣờng (CFP), đƣợc sử dụng để phát hiện tần số

Doppler. Tại máy thu, hai bƣớc đồng bộ đƣợc triển khai. Bƣớc đầu tiên thực hiện đồng

bộ thô. Trong bƣớc này, tần số Doppler đƣợc ƣớc lƣợng gần đúng bằng tần số sóng

mang. Trong bƣớc thứ hai, phƣơng pháp sử dụng CFP để điều chỉnh tần số Doppler ƣớc

tính. Bƣớc này đƣợc gọi là đồng bộ tinh. Ƣu điểm của phƣơng pháp đƣợc đề xuất là giảm

độ dài khung OFDM. Do đó, băng thông hệ thống đƣợc sử dụng hiệu quả. Phƣơng pháp

đƣợc đề xuất có thể theo dõi sự biến thiên thời gian nhanh của tần số Doppler, đó là một

đặc trƣng điển hình của kênh dƣới nƣớc. Để kiểm tra tính hiệu quả của phƣơng pháp

đƣợc đề xuất, tác giả đã thử nghiệm phƣơng pháp trong kênh dƣới nƣớc thực sự với tốc

độ chuyển động Rx tƣơng đối là 3m/s . Kết quả thử nghiệm cho thấy tần số Doppler ƣớc

tính phù hợp tốt với tính toán lý thuyết.

3.4.2. Mô tả hệ thống

Khác với hệ thống OFDM không dây, sự thay đổi của tần số Doppler trong môi

trƣờng thủy âm có thể đƣợc gây ra bởi các nguồn khác nhau, chẳng hạn nhƣ chuyển động

tƣơng đối của tranceivers, chuyển động bề mặt nƣớc, hỗn loạn thành phần ở dƣới nƣớc.

Do đó, tính trực giao của tín hiệu OFDM sẽ bị ảnh hƣởng dẫn đến nhiễu ICI [28] trong

hệ thống.

Để giảm thiểu ICI, sự thay đổi tần số Doppler phải đƣợc bù tại máy thu. Thông

thƣờng, có một số phƣơng pháp bù trừ ICI cho UWC dựa trên OFDM [26]. Các phƣơng

pháp đƣợc đề xuất trong [27,28] tính toán sự dịch chuyển Doppler sau khi đồng bộ hóa

tần số. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp thay đổi tần số Doppler lớn, kỹ thuật đồng bộ hóa

dựa trên so sánh tín hiệu nhận đƣợc với tín hiệu truyền đi không cung cấp kết quả đồng

bộ đáng tin cậy. Do đó, sự dịch chuyển tần số Doppler ƣớc tính tƣơng ứng cũng không

chính xác. Đây là chính là mục tiêu của tác giả để đề xuất phƣơng pháp ƣớc lƣợng tần số

Doppler, không dựa vào preamble hoặc tín hiệu postamble đƣợc thực hiện trong [27].

Trong phƣơng pháp đƣợc đề xuất, tần số Doppler đƣợc ƣớc tính trƣớc khi tín hiệu

OFDM đƣợc đồng bộ. Để ƣớc tính tần số Doppler, sóng mang phụ đƣợc dành riêng để sử

dụng làm tần số tham chiếu. Tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng này đƣợc gọi là CFP. CFP

thƣờng đƣợc tăng cƣờng công suất phát so với các sóng mang phụ khác, và nó có thể

đƣợc sử dụng cho tần số Doppler để ƣớc lƣợng kênh.

Để bù lại sự thay đổi tần số Doppler, tác giả đề xuất triển khai hai bƣớc đồng bộ hóa

tần số. Bƣớc đầu tiên thực hiện đồng bộ hóa thô, trong khi bƣớc thứ hai điều chỉnh sự

thay đổi tần số Doppler thu đƣợc ở mức chính xác hơn của tần số Doppler ƣớc tính. Tác

giả đặt tên cho bƣớc này là bƣớc đồng bộ hóa tinh. Đồng bộ thô dựa trên thông tin của

CFP, trong khi đồng bộ tinh đƣợc thực hiện trên cơ sở thông tin góc của tín hiệu pilot của

hai ký hiệu liên tiếp.

So với kỹ thuật đƣợc đề xuất trong [28], phƣơng pháp đề xuất không cần một khung dài

để có đƣợc ƣớc tính về sự thay đổi tần số Doppler nhƣ trong [27]. Thay vào đó, ƣớc tính

tần số Doppler có thể thu đƣợc trong hai ký hiệu OFDM liên tiếp.

Do đó, cách tiếp cận của phƣơng pháp đề xuất có thể đƣợc áp dụng cho một kênh thời

gian biến đổi rất nhanh, nơi tốc độ chuyển động tƣơng đối của tranceivers cao. Tuy

nhiên, phƣơng pháp này đã sử dụng việc tăng công suất phát trên CFP để đạt đƣợc hiệu

suất tốt và ƣớc lƣợng tần số Doppler. Đây cũng là một nhƣợc điểm của phƣơng pháp của

nhóm nghiên cứu.

Trong thực tế, sự chênh lệch công suất phát của tín hiệu OFDM với tín hiệu CFP là tăng

khoảng 10% so với tín hiệu OFDM không sử dụng CFP.

Hình 3.13. Hệ thống truyền dữ liệu số trên kênh truyền thủy âm bao gồm sơ đồ khối máy

phát và máy thu.

Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:

(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song

(S/P)

(2): Khối điều chế M-QAM

(3): Tín hiệu Pilot và CFP

(4): Sắp xếp dữ liệu và Pilot lên các sóng mang của hệ thống OFDM.

(5): Khối để chèn không và sắp xếp đặc biệt

(6): Biến đổi IFFT

(7): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM.

(8): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

(9): Bộ biến đổi DAC

(10): Transducer phát.

(11): Transducer thu

(12): Bộ biến đổi ADC

(13): Bộ lọc thông dải BPF

(14): Khối tính toán độ lệch tần Doppler

(15): Lấy mẫu lại.

(16): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM.

(17): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM.

(18): Biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM.

(19): Ƣớc lƣợng kênh.

(20): Tính độ lệch thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh.

(21): Thực hiện việc khử nhiễu ICI trong miền thời gian của mỗi tín hiệu OFDM

(22): Biến đổi Fourier cho tín hiệu OFDM.

(23): Tách các Pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền.

(24): Ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi

(25): Giải điều chế M-QAM

Giải thích nguyên lý:

Ở phía máy phát: Nguồn dữ liệu cần phát (Data input) đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối

tiếp ra song song (S/P) rồi đƣa đến khối điều chế M-QAM sau đó nó kết hợp với tín

hiệu Pilot (tín hiệu dẫn đƣờng) và tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng (Carrier frequency pilot

– CFP) từ khối tiếp theo để sắp xếp lên các sóng mang của hệ thống OFDM.

Tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng CFP là Pilot đặc biệt đƣợc thiết kế để có thể làm

việc tƣơng tự nhƣ sóng mang dữ liệu trong các hệ thống thông tin nhƣ VSB (Vestigial

Side Band). Nhờ đó mà bên thu có thể xác định đƣợc chính xác tần số của tín hiệu phải

thu để có thể xử lý phù hợp. Tín hiệu tiếp đó đƣợc đƣa đến khối Zeros Insertion để chèn

không và sắp xếp đặc biệt để tạo ra tín hiệu chỉ gồm các số thực sau khi biến đổi Fourier

ngƣợc IFFT. Khối GI làm nhiệm vụ chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM. Khối P/S

biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) và đƣợc đƣa đến bộ biến đổi số tƣơng tự

DAC. Tín hiệu tƣơng tự ở đầu ra khối DAC sẽ đƣợc đƣa đến đến transducer phát.

Ở phía thu, tín hiệu khi nhận đƣợc tại transducer thu sẽ đƣợc đƣa qua bộ biến đổi

ADC để biến thành tín hiệu số sau đó đƣa qua bộ lọc thông dải BPF để loại bỏ các tín

hiệu không thuộc dải tần thông tin phát đi. Tín hiệu đầu ra sẽ đƣợc đƣa đến khối tiếp

theo để tính toán độ lệch tần Doppler rồi sẽ đƣợc lấy mẫu trở lại ở khối Resamling. Khối

Symbol Detection thực hiện việc phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM. Khối

GI Removal sẽ loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM. Khối FFT thực hiện

việc biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM. Khối Channel Estimation sẽ tính

toán độ lệch pha giữa hai CFP của hai tín hiệu OFDM liên tiếp. Khối (22) sẽ tính độ lệch

thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh. Khối (21) thực hiện việc tính toán

lại các mẫu tín hiệu trong mỗi tín hiệu OFDM trong miền thời gian. Khối (22) thực hiện

biến đổi Fourier cho tín hiệu OFDM. Khối (23) thực hiện tách các Pilot và ƣớc lƣợng

kênh truyền. Khối (24) sẽ ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi và cuối cùng khối (25) sẽ

giải điều chế M-QAM cho dữ liệu nhận đƣợc để khôi phục lại dữ liệu ban đầu.

Bài báo [25] đã thực hiện tính toán và bù dịch tần Doppler qua 2 bƣớc đồng bộ thô

và đồng bộ tinh. Ở bƣớc đồng bộ thô, phần nguyên của độ dịch tần Doppler đƣợc tính

dựa trên các tín hiệu gắn thêm vào đầu khung X1, X2, X3 sau đó tín hiệu OFDM sẽ đƣợc

quay pha lần 1 để triệt tiêu độ dịch tần này. Ở bƣớc đồng bộ tinh, độ lệch tần Doppler

đƣợc tính dựa trên các pilot liên tục trong miền tần số và việc loại bỏ nhiễu ICI đƣợc thực

hiện trong miền tần số với ma trận khử nhiễu kích thƣớc .

Bài báo [26] cũng thực hiện bù dịch tần Doppler cho hệ thống OFDM theo hai bƣớc.

Ở bƣớc đồng bộ thô, việc tính toán độ dịch tần Doppler dựa trên các tính hiệu gắn vào

trƣớc (preamble) và sau (postable) của mỗi khung tín hiệu OFDM sau đó tín hiệu OFDM

sẽ đƣợc lấy mẫu lại. Ở phần đồng bộ tinh, độ dịch tần dƣ còn lại (CFO) sẽ đƣợc tính dựa

trên các sóng mang “không” và ICI sẽ đƣợc loại bỏ thông qua phép nhân ma trận trong

miền tần số.

Các phƣơng pháp này có đặc điểm là phải gắn thêm các thông tin vào đầu hoặc cuối

các khung truyền dữ liệu, do đó nó sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông của hệ

thống và tiêu tốn công suất phát tín hiệu. Thêm vào đó việc thực hiện bù Doppler của

những phƣơng pháp này đƣợc thực hiện sau khi đồng bộ tín hiệu, nghĩa là phải xác định

đƣợc đúng điểm bắt đầu của dữ liệu. Tuy nhiên trong thực tế đối với trƣờng hợp kênh

truyền bị ảnh hƣởng lớn của dịch tần Doppler thì tín hiệu sẽ bị méo dạng nghiêm trọng

do đó rất khó có thể xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu.

Điểm mới của phƣơng pháp đề xuất có ƣu điểm là không cần gắn thêm phần thông

tin bổ sung vào đầu hay cuối của khung dữ liệu, thay vào đó sẽ sử dụng một trong nhiều

sóng mang của hệ thống OFDM làm tín hiệu dẫn đƣờng sóng mang (Carrier Frequency

Pilot- CFP). Các CFP sẽ đƣợc tăng công suất phát lớn hơn mức công suất phát trung bình

của tín hiệu OFDM. CFP sẽ có hai chức năng, một chức năng vẫn làm Pilot cho hệ thống

OFDM nhƣ những Pilot thông thƣờng khác và một chức năng thứ hai là làm sóng mang

dùng để bên thu có thể qua đó tính đƣợc độ dịch tần số Doppler. Nhƣợc điểm của phƣơng

pháp tác giả đề xuất là sẽ làm tăng công suất phát tín hiệu. Tỷ lệ phần trăm mức công

suất tăng thêm của tín hiệu phát đƣợc tính:

Hình 3.14. Phổ công suất trung bình tín hiệu

(3.21)

Trong đó

-PCFP là công suất phát của tín hiệu OFDM có gắn CFP

-P là công suất phát của tín hiệu OFDM không có CFP

-Ac là biên độ của CFP

-K là tổng số sóng mang dữ liệu của hệ thống OFDM

-M là số mức điều chế

Trong trƣờng hợp của phƣơng pháp đề xuất sử dụng băng thông 20-28Khz với Ac=6 thì

3.4.3. Mô tả chi tiết phƣơng pháp thực hiện

Điểm mới thứ nhất của phƣơng pháp là đề xuất sử dụng một sóng mang trong hệ

thống OFDM thành song mang dẫn đƣờng CFP. Mức biên độ cụ thể của CFP ký hiệu là

Ac phải lớn hơn mức biên độ trung bình của tín hiệu OFDM:

(3.22)

-Tần số của sóng mang dẫn đƣờng CFP ký hiệu là Fc đƣợc tính:

(3.23)

Ở đây là khoảng cách giữa hai sóng mang trong hệ thống OFDM, c là chỉ số sóng

mang tƣơng ứng với CFP. Khoảng cách giữa hai sóng mang trong hệ thống OFDM đƣợc

tính:

(3.24)

Với fs là tần số lấy mẫu của tín hiệu, N là độ dài dùng để biến đổi Fourier cho tín hiệu

OFDM. N cũng chính là tổng số sóng mang của hệ thống.

-Điểm mới thứ 2 là hệ thống thu thực hiện lấy mẫu lại tín hiệu trƣớc khi thực hiện

đồng bộ nên đảm bảo phát hiện chính xác điểm bắt đầu khung dữ liệu. Với y là tín

hiệu ở đầu ra khối BPF (13), Lf là độ dài của y. Tại khối (14) thực hiện biến đổi

Fourier rời rạc cho y với độ dài Lf đƣợc tín hiệu Y:

(3.25)

- Tần số tín hiệu thu đƣợc Fr tƣơng ứng với CFP đƣợc tính theo công thức:

(3.26)

Trong đó fs là tần số lấy mẫu của tín hiệu

Độ lệch tần Doppler khi thực hiện đồng bộ thô sẽ đƣợc tính dựa trên tần số thu Fr theo

công thức:

(3.27)

Trong đó hàm [.] dùng để làm tròn số. Khi đó tần số lấy mẫu mới frs đƣợc tính :

(3.28)

Tần số lấy mẫu này đƣợc đƣa đến khối (15) để lấy mẫu lại cho tín hiệu y để đƣợc tín hiệu

yr tín hiệu yr sẽ đƣợc đƣa đến khối (16): yr=resample(y)

-Ở bƣớc đồng bộ tinh ta sẽ tính toán độ lệch tần Doppler dựa trên CFP trong khung tín

hiệu OFDM sau khi đã đồng bộ thô. Gọi là góc lệch giữa hai CFP liên tiếp, khi đó

sẽ đƣợc tính:

(3.29)

Ở đây H là giá trị kênh truyền ƣớc lƣợng đƣợc tại các CFP; k là chỉ số sóng mang con

thứ k và i là số thứ tự của tín hiệu OFDM thứ i trong khung tín hiệu OFDM; mean dùng

để tính giá trị trung bình và angle dùng để tính góc của một giá trị là số phức. Từ giá trị

, độ lệch thời gian giữa hai mẫu tín hiệu trong mỗi tín hiệu OFDM đƣợc tính:

(3.30)

Tín hiệu thu đƣợc qua khử nhiễu ICI:

(3.31)

Trong đó là tín hiệu thu đƣợc ở đầu ra khối (17), sẽ đƣợc đƣa đến đầu vào khối

(22)

là ma trận khử nhiễu ICI đƣợc đề xuất nhƣ sau:

(3.32)

Với g(t) là hàm dùng để xây dựng ma trận khử nhiễu trong miền thời gian :

(3.33)

Tác giả sẽ thực hiện việc thực nghiệm và so sánh kết quả của đề phƣơng pháp này

cùng với đề xuất mới về giải mã trực tiếp ở mục 3.5 sau đây.

3.5. Phƣơng pháp giải mã trực tiếp (Direct decoder)

3.5.1. Đặt vấn đề

Luận án đề xuất một phƣơng pháp mới để bù sự thay đổi tần số Doppler cho các hệ

thống truyền thông âm thanh dƣới nƣớc dựa trên OFDM. Phƣơng pháp này cũng sử dụng

sóng mang phụ trung tâm đƣợc sử dụng dành riêng cho truyền dẫn pilot gọi là tần số

sóng mang dẫn đƣờng (CFP), đƣợc sử dụng để phát hiện tần số Doppler. Tại phía thu,

thay vì áp dụng hai bƣớc đồng bộ thô và đồng bộ tinh thì tác giả đề xuất chỉ sử dụng một

bƣớc duy nhất để giải mã tín hiệu. Ƣu điểm của phƣơng pháp đƣợc đề xuất là giảm đƣợc

thời gian tính toán của hệ thống do đó có thể theo dõi sự biến thiên thời gian nhanh của

tần số Doppler và đáp ứng tốt với tín hiệu truyền trong thời gian thực.

3.5.2. Hệ thống thủy âm giải mã trực tiếp

Hình 3.15. Mô hình hệ thống giải mã trực tiếp

Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:

(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song

(S/P)

(2): Khối điều chế M-QAM

(3): Tín hiệu Pilot và CFP

(4): Sắp xếp dữ liệu và Pilot lên các sóng mang của hệ thống OFDM.

(5): Khối để chèn không và sắp xếp đặc biệt

(6): Biến đổi IFFT

(7): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM.

(8): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

(9): Bộ biến đổi DAC

Transducer phát

Môi trƣờng thủy âm

Transducer thu

(10): Bộ biến đổi ADC

(11): Bộ lọc thông dải BPF

(12): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM.

(13): Tách các symbol

(14): Ƣớc lƣợng độ dài các symbol

(15): Khối tính toán độ lệch tần Doppler

(16) Loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM

(17): Tính độ lệch thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh.

(18): Ma trận lấy mẫu lại.

(19): Biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM.

(20): Ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi

(21): Tách các Pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền.

(22): Giải điều chế M-QAM

3.5.3. Giải thích nguyên lý: